功率半导体 | PN 结、晶体管、双极型晶体管的基本原理

一、半导体的基本原理

下面对半导体的基本原理做一个概述。这里所说的半导体都是指硅材料半导体。

什么是半导体

先从固体的导电性来看，半导体是介于绝缘体和导体之间的物质。关于导电性的具体数值，可以看下图，图中的数轴表示的是电阻率的变化，电阳率越小，电导率就越大，也就是导电性越强。从图中看到，半导体占据着在绝缘体和导体之间很大的范围。换言之，半导体同时具有绝缘体和导体的特性。它可以让电流时而导通，时而截止，也就是表现出所谓的“开关特性”。

电流的本质，是电流的载体--载流子(Carrier)，也就是电子或空穴（英语中的Posilive Hole。可以理解为电子移走后留下的空洞。电子和空穴没有分开之前，整体呈现电中性;带负电的电子移开之后，留下的空穴就带正电。）带着电荷进行移动，电荷移动就形成电流。在半导体中，也存在着这样的载流子。

电子的概念大家很熟悉，但空穴这个概念可能很多人没有听过。其实，空穴就是将电子从某个位置移走后留下的空洞。由于电子带有负电荷，那么电子移走后，留下的这个空洞就带有正电荷。

固体中载流子的运动

只要载流子发生了运动，就可以认为产生了电流。但是载流子流动到底是怎样一幅具体的画面，这不是我们日常生活中见得到的，所以也是理解半导体乃至器件原理的一大困难。

半导体出现之前，所谓的电子器件其实是指以真空管为代表的电子管。真空管中的载流子(只有电子，没有空穴)在真空中运动，所以只要想象一个物体不受干扰地在真空中运动，就可以理解真空中载流子的运动了，而对于固体中的情况，要理解载流子的运动，我们试着用下面这个比方，来为大家提供一个具体的画面如下。

在固体中，有些电子可以自由移动，这样的电子可以看作是在空旷的高速公路上疾驰的汽车。而在普通的城市道路上，大量的汽车拥堵着。当一辆汽车发现自己前方有空位就向前开过去占据了空位，同时自己原来待的地方就成为新的空位，等着后续车辆来占据。这个空位就是固体中的空穴，是电子离开原位后留下的，并且朝着与电子相反的方向运动着。

这就是电子和空穴在固体中运动的方式。另外，这个例子还让我们看到，自由运动的电子的速度(高速公路上的汽车)，是要比空穴(拥堵的城市道路的空位)快的，用专业的语言来说，就是电子的迁移率高于空穴的迁移率，迁移率可以理解为移动的难易程度。

掺入杂质增加载流子

那么在硅的晶体中，含有多少载流子呢?我们把热平衡状态下的硅半导体称为本征半导体（既非N型也非P型的半导体，有时也称为Ⅰ型半导体），里面的载流子数量很少，所以不具有导电性。要让这种本征半导体成为半导体器件，起到导电的作用，首先要对其加人硅以外的元素，这个步骤称为掺杂(Doping)，由这些元素来提供额外的载流子，实现导电。

如下图所示，通常，能够提供电子的元素是电子（特指原子周围位于最外层的电子，又叫作价电子）数多于Ⅳ族元素硅的V族元素例如磷(P)等。而能够提供空穴的元素，是电子数较少的亚族元素，例如硼(B)等。

前者可以称为N型杂质，后者可以称为P型杂质。进而将型杂质掺入半导体得到的就是 N型半导体，将P型杂质掺入得到的就是P型半导体。杂质(Impurity)，也可以叫作掺杂物(Dopant)。掺杂这种说法总是给人不好的感觉但对于半导体器件来说，这是至关重要的基本要素。

二、关于 PN 结

掺杂是使半导体器件能工作的第一个要素，而第二个要素，就要说到 PN 结了。解释半导体的工作原理一定少不了 PN结。接下来用简洁明了的语言来介绍它的功能吧。

硅材料为什么如此重要

还是必须先说明为什么硅材料如此重要。晶体管作为半导体器件的代表，其实最早是用锗(Ge)材料来制作的。但是半导体器件对耐压性(最大能承受多大的电压而不击穿)是有要求的，在这方面锗材料是不理想的。影响耐压性的因素是半导体材料的禁带宽度的大小。

硅的禁带宽度高于锗，所以耐压性更强。因此人们加紧研究硅材料，为半导体器件提供良好的基础材料。可以说，当单晶硅的制作工艺确立之后，功率半导体的时代初次到来（当然，它也促进了以LSI为首的半导体产业的发展）。硅和锗两种材料物理特性的区别，已经总结在下图中。硅材料比锗材料耐压性能更好，而且对于结型晶体管来说，用硅材料来制作会更加容易。硅基结型晶体管很快就取代了点接触式（在一块锗晶体上表面接触两片十分靠近但隔绝的金箱，一片作为发射极，另一片作为集电极，错晶体下表面再以铜电极作为基极，这就是 1947年世界上第一个晶体管的结构。）锗晶体管，成为主流。所谓“结型”，指的是N型半导体与P型半导体在不损伤晶体的情况下，形成了下文所说的“PN结”。

如前所述，要制作带有电子和空穴这两种不同极性载流子的晶体管器件，就一定少不了 PN 结。所谓 PN 结，如下图所示，就是以电子为多数载流子(Majority Carrier：在这个半导体中数量较多的一种载流子。数量较少的另一种载流子，就叫作少数载流子)的N 型区域，与以空穴为多数载流子的P型区域，在不损伤晶体的情况下结合在一起形成的结构。

这里有很多人会认为“N型半导体中只含有电子，P型半导体中只含有空穴”。这种说法是不对的，必须说明:N型半导体中同样含有空穴，P型半导体中同样含有电子，只是它们在各自的区域中被称为少数载流子(Minority Carrier)。而且上图中的N型和P型半导体的接触方式，不能理解为是两个原本分离的半导体此时被对接在一起。实际情况是像上图(b)那样，是在一整块连续的半导体的区域内，通过掺杂形成另一种半导体，如此形成PN结。这牵涉到制造工艺，详细过程现在暂时不讲，总的来说，是通过包括热扩散、离子注人等方法而形成的。

由于伴随着热处理的过程，所以也是采用硅材料更好，因为硅的耐热性也比错强。两种半导体相结合的平面，称为结合面。在上图(b)中，结合面是垂直于纸面的，请读者想象这个平面向纸外延伸出来，形成一个三维立体的结构。

正向偏压和反向偏压

有了上述的 PN结，加上一定的偏压，就可以控制电流的流动了。所谓偏压，就是在两个电极上加上大小不同的电压的意思。

如下图所示，当外加偏压方向是从P型区域指向N型区域，这就叫作正向偏压反向偏压指的就是与上面相反的情况，外加电压的方向是从N型区域指向P型区域。记住这个结论:对PN结施加正向偏压，将会有助于多数载流子的流动，PN结处于开启状态;对 PN 结施加反向偏压，则会阻碍多数载流子的流动，PN结将进人关断状态所以对 PN 结施加不同方向的偏压，就可以实现电路的开启和关断，也就是开关功能

外加偏压的正向和反向为什么会影响载流子的流动?这个问题后面再阐述。如果 PN 结的正向和反向偏压都明白了，就可以理解双极型晶体管了。到此为止，如何让本征半导体硅中载流子的流动变得可控，也就是形成半导体器件所需的两个要素“掺杂”和“PN 结”。

三、晶体管的基本原理

总体概括一下晶体管的基本工作原理，主要会围绕开关功能来描述。

什么是开关

多次提到过的开关(Switching)到底是怎么一回事呢?开关其实就是使电流时而可以流动，时而无法流动。或者说，使载流子在流动和停止两种状态中快速切换，就是 on 和 of两种状态的快速转换。

可以通过下图来建立开关的图像，横轴为时间轴。随着时间的推移，电流在流动和停止两种状态间来回转换。

就像前面所说的，要成为半导体器件，必须满足两个要素:第一，是“掺杂”使半导体中存在一定浓度的载流子。第二，必须形成“PN结”。在这两个要素的基础上，器件才能具备开关功能，让载流子流动起来。有两种方式可以控制开关，一种是通过电流来控制，另一种是通过电压来控制，详细情况将在 之后介绍。

要让电流向一个方向流动，就必须有推进的力量，这就需要外加电压。在导体中也是这样的，没有电压就没有电流。

由此就有了这样一个结构，如下图所示，在其两端有两个电极，用来施加外电压还要在中间用一个电极作为电路的开关，总共就有三个电极。两端的电极，一端是用来从电源接受载流子供应给这个器件，另一端是用来从器件回收载流子，返回到电源。

另外关于开关的这种脉冲(Pulse)型的电流，在经过其他电路后，会被转换成下图所示的正弦交流电流。想要了解的，可以查阅资料了解一下 PWM 的概念。

前面这样的有三个电极的器件称为晶体三极管，一般简称三极管，或晶体管。其英文单词 Transistor 是一个复合词，是Transfer of Energy through Resistor 的简称。作为一种早就实现商用的固态器件，晶体管已有70年以上的历史了。当然，晶体管的作用远远不止是开关这么简单，但本书是围绕开关这个作用来说明的。

在晶体管这个大类中，还有双极型晶体管(BipolarTransistor)和MOS晶体管之分。前者是依靠电流来控制开关的器件，后者是依靠电压来控制开关的器件。

四、双极型晶体管的基本原理

什么是双极型晶体管

双极型(Bipolar)，是将词缀“bi-”(是“双”的意思，又如 Bicycle 二轮脚踏车)和'polar-”(“极性”的意思，电场有正负极性)结合在一起创造出来的词。前面我们了解到，载流子分为带正电的空穴和带负电的电子。双极型晶体管之所以称为“双极型”，就是因为同时用到了这两种载流子

双极型晶体管的原理

双极型晶体管有基极、发射极、集电极三个电极。发射极(Emiter)有“发出”的意思。集电极(Collector)是“收集”的意思。基极(Base)是“基础”的意思。双极型晶体管可以理解为一个“通过控制基极电流来工作的器件”。按照这样的理解，就得到了下图。也就是说发射极是载流子的供应者，集电极是载流子的回收者，基极起到开关的作用，控制载流子的移动。

现在看下图所示的PNP型双极型晶体管。请把它的结构理解为两个背靠背紧贴在一起的 PN 结，并且从左到右依次是发射极、基极、集电极。发射极和集电极看起来是两个一样的P型区域，但实际上集电极的掺杂浓度是比发射极低的。

那么对背靠背的 PN 结“如何施加电压”，将是接下来要讨论的问题。对 PN 结施加正向或反向的电压，会产生不同的结果，这已经在前面提过了:正向偏压有助于多数载流子的流动，反向偏压阻碍多数载流子的流动。

如何让整个晶体管进入on(开启)的状态呢?这是本节的关键。通常来说，在发射极-基极之间接正向偏压，在集电极-基极之间接反向偏压。此时，发射极(P型区域)与基极(N型区域)之间由于正向偏压而处于导通状态。来自发射极的多数载流子(空穴)，顺着正向偏压，很容易地被送到基极区域，即基区。基区一般长度非常短。来自发射区的空穴，大部分毫无阻碍地通过基极区域，来到集电区，从集电极流出晶体管。可能有人会问，集电极和基极之间施加的是反向偏压，多数载流子应该被阻碍，为什么空穴还能从基极流到集电极呢?必须说明的是，这里讨论的主角--空穴，在基极(N型区域)时，不是多数载流子，而是少数载流子，非但不会被阻碍，反而还被集电极的低电压(反向偏压，集电极电压低于基极电压)吸引而加速流向集电极。

综上所述，电流从发射极流入、从集电极流出，在整个晶体管中实现了流动，因此可以说，此时晶体管就是处于on(开启)状态的。

实际情况中，有一部分空穴在基极区域会与此处的多数载流子(电子)发生复合无法到达集电极区域。如上图所示，基极区域中由于部分电子与空穴复合了，电子减少，基极通过电极从外部补充一些电子进来，由此形成了基极电流。由此可见，在这样的器件中空穴和电子两种载流子的流动都是必不可少的，这就是双极型晶体管得名的原因。

未完待续......

参考文献：

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