电驱动系列：三十七、控制器部分-半导体材料及PN结

cengjili

37.1 半导体的定义及其特性

材料按导电能力的不同可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。

导体多为各类金属材料，其电阻率低，自由电子多，导电能力很强；绝缘体电阻率很大，基本不导电；半导体指导电能力介于导体与绝缘体之间的材料，如硅、锗、碳化硅、砷化镓等。

半导体有三个重要特性：（1）掺杂特性：材料随着所含微量杂质的多少，导电能力迅速变化，纯硅在常温下电阻率约为0.214MΩ*cm，但掺入百万分之一的杂质磷，电阻率会迅速降低至0.2Ω*cm，前后相差一百万倍；依此可以制成各种二极管及其各种演化元件。（2）光敏特性：即材料由于光照强弱的不同，电阻率会发生明显的变化，依此可以制成各种光敏元件如光敏电阻、光电二极管等；（3）温度特性，即材料随着温度的变化，电阻率会明显变化，依次可以制成各种热敏元件如热敏电阻。

电机控制器中主要利用其掺杂特性，且硅基半导体利用最为广泛，后面重点介绍硅基半导体及其制作的元件。

37.2 本征半导体的微观结构

我们称没有杂质，没有缺陷、严格周期排列的理想半导体材料称为本征半导体。

（1）本征半导体Si的共价键结构：

本征晶体硅中原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，四个其他原子位于四面体的顶点，Si原子最外层电子轨道上有4个电子，称为价电子，价电子不仅受到原来所属原子核的吸引，还受到相邻原子核的吸引，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子，形成共价键。



图37.1 硅原子及晶体硅结构简化模型

（2）N型半导体

在四价元素的硅Si（或锗）晶体中掺入微量的五价元素磷P（或砷等）后，磷元素将散布于晶体中，且替代晶格中的少量硅原子，微量的掺杂并未破坏晶体原有的晶格结构，因此磷元素的4个价电子与周围的4个硅Si原子组成共价键，多余的1个价电子不受共价键的束缚，而原子核对其束缚能力又差，因此只要获得少许能量，就能脱离原子核的束缚变为自由电子，这种材料中自由电子为多数载流子。

“N”是指半导体的多数载流子为带负电荷（Negtive）的自由电子。需要注意的是，虽然称为N型材料，但材料本身还是中性的，其总正电荷与总负电荷数量相等。



图37.2 N型半导体示意图

（3）P型半导体

在硅（或锗）晶体中掺入微量的三价元素硼（或铝等）后，硼原子也将散布于硅原子中替代了晶体结构中某些位置上的硅原子。由于硼原子只有3个价电子，与周围4个硅原子组成共价键时，缺少一个电子从而产生一个空位，此时它很容易吸引临近硅原子中的价电子来填补，而临近原子的共价键将缺少一个电子从而出现一个空穴，硼原子因吸收一个电子从而变为负离子，但其不能移动从而不参与导电，因此只有空穴才对导电做出贡献。

“P”是指半导体的多数载流子为带正电荷（Positive）的空穴。同样，虽然称为P型材料，但材料本身还是中性的，其总正电荷与总负电荷数量相等。



图37.3 P型半导体示意图

（4）PN结

在一块本征半导体两边掺入不同的杂质，一边成为P型半导体，另外一边成为N型半导体，则在P、N型半导体交界面处会自发形成一层特殊的导电层，称为PN结。

扩散运动：P区空穴浓度高，N区自由电子浓度高，PN结交界面处N区的自由电子必然向P区运动，自由电子与空穴结合而消失（即形成相对稳定的共价键，非物理意义上的消失），这样交界面两侧的一定区域内在P区出现负离子区，在N区出现正离子区，二者数量相等，且这个区域内空穴或自由电子几乎耗尽，因此称为耗尽层；



图37.4 PN结中电子的扩散运动

漂移运动：P区的负离子区与N区的正离子区之间相互作用会形成一个电场，方向由N区指向P区，此电场会促使P区共价键中的电子向N区漂移从而在P区产生空穴，在N区产生自由电子，即阻止耗尽层的增大；

扩散运动与漂移运动最终会形成一个动态平衡，在一定温度下，耗尽层会维持一定的宽度（10-6-10-4cm），由于耗尽层的N区为正离子、P区为负离子，因此N区电位高于P区，二者的电位差称为接触电位差，常温下，硅基PN结的接触电位差约为0.6-0.8V，锗基PN结约为0.2-0.3V，温度升高时，接触电位差会有所下降。



图37.5 PN结动态平衡状态

（5）二极管：将PN结两端各接上引线并以管壳封装，即为二极管。

（6）PN结正偏

把外接电源的正极接到二极管的P区，负极接到N区，这种接法称为正向偏置。

此时，电源负极会提供更多的电子，从而使N区正离子区被压缩，正极从P区吸收更多电子从而在P区产生更多的空穴，N区负离子区被压缩，耗尽层变薄，内电阻变小，当外部电源电压可以克服耗尽层的内电场时，有足够的能量使N区的电子进入P区，并最终流入电源，此时二极管为导通状态。

死区：指二极管正偏，两端的正向电压较小时，产生的外电场不足以克服耗尽层的内电场，二极管还没有很好的导通，称为死区，此时二极管相当于一个很大的电阻，正向电流很小。

门槛电压（阈值电压）：当正向电压超过一定值后，正向电流随正向电压的增大迅速增大，该电压称为门槛电压，常用Vth表示，室温下硅管的Vth约为0.5V，锗管的Vth约为0.1V。

二极管一旦导通，正向电压即使微小增加，正向电流也会有极大的增加，此时二极管呈现的电阻很小。



图37.6 PN结的正偏

（7）PN结反偏与反向击穿

把外电源的正极接到二极管的N区，负极接到P区，这种接法称为反向偏置。反向电压加强了内电场对扩散运动的阻碍，多子几乎不能形成电流，但少子在电场作用下漂移形成很小的漂移电流。二极管呈现很高的反向电阻，处于截止状态。

反向击穿：当反偏电压增加到一定数值时，反向电流急剧增加，称为二极管的反向击穿，此时对应的电压称为反向击穿电压。应用中，加在二极管上的反向电压应小于反向击穿电压，以免损坏二极管。



图37.7 PN结的反偏