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          半导体-导体-绝缘体

          功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础,一代器件带动一代整机,即功率半导体器件一直是推动电力电子变换器发展的主要源泉,一代新型器件的出现,总是带来一场变换器的革命。因为功率半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位,它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。要想了解功率半导体器件的特性,首先需要了解功率半导体器件的物理基础,理解半导体材料与导体、绝缘体材料的区别。

          众所周知,目前所用的功率半导体器件绝大多数都是用半导体材料制造的。而半导体本身并没有明确的物理或者数学定义,一般认为,自然界物质有气态、液态、固态和等离子态等几种存在形式,在这里仅以固态范畴来讨论导体、半导体和绝缘体。

          一般情况下,人们顾名思义地用电导率或者电阻率的高低来区分导体、半导体和绝缘体,认为电导率或者电阻率处于导体和绝缘体之间的是半导体,这也可以解释半导体(Semiconductor)的由来。一般将电阻率介于10-6~108Ω.m的材料称作半导体,见图1-1所示。对于三者界限的数值并没有准确的说法,在一些文献中,还采用了金属、半金属、半导体、半绝缘体和绝缘体的细致划分方法。

          依据电阻率对固体的分类

          众所周知,铜、铝、银等金属材料能非常容易的传导电流,都是非常好的导体;而橡胶、陶瓷、塑料等材料几乎不导电,是非常好的绝缘体;而硅、碳化硅等是用于功率半导体器件制造的半导体材料。为了有更直观的概念,表1-1中给出了部分金属导体、绝缘体和硅半导体的电阻率特性。从表中可以看出,一般结构完整且不包含杂质,或杂质浓度极低的结晶态半导体,以及大多数未掺杂的非晶态半导体,也具有跟绝缘体不相上下的高电阻率;而当它们含有足够高浓度的某些特殊杂质时,其电阻率又会下降到金属的电阻率范畴,甚至比某些导电性能欠佳的金属的电阻率还低,这是半导体特性之一。

          不同材料电阻率比较

          此外,半导体的导电能力还与某些外部条件有关。与金属和绝缘体相比,半导体电阻率对环境温度、光照、乃至磁场和电场等外加条件的敏感性要强得多。在实际应用中,利用半导体电阻率随温度或者光照的变化而变化这一特点,可以制造热敏或者光敏电阻;利用半导体内掺入一些杂质,就能改变半导体的导电能力和导电类型,这是今天可以用来制造各种半导体器件和集成电路的依据。从本质上来说,半导体是导电性明显取绝于材料的内外状态而可以灵活改变的一类特殊物质。正是利用这样一种灵活多变的特点,半导体才能用来制造像晶体管、晶闸管那样的器件,而导电性难以明显改变的金属和绝缘体却不能。在这一材料特性赋予半导体器件各种功能特性的同时,也赋予半导体器件一些不可忽视的应用特性,比如器件对工作温度的依赖性。

           

          做一个简单的归纳,半导体大致有这样一些独特的性质,它们的应用无不跟这些性质有关。

           

          1)一般来说,半导体的电阻温度系数比金属大得多,即半导体的阻值更容易随温度的变化而变化;

           

          2)在半导体中参与电流的载流子有两种,即空穴和电子,而在金属中输运电流的载流子只有电子;

           

          3)半导体的电阻率对掺入杂质及其敏感,一般只需要极少量的杂质就能显著地改变其电阻率。比如,半导体材料锗的纯度达到109个锗原子中的杂质原子不超过1个,此时其室温下的电阻率为0.45Ω.m,如果在这样纯的锗中掺入锑,掺到每2×106个锗原子中有一个锑原子的程度,则室温下电阻率下降为

          9×10-4Ω.m,仅为原来的1/500,导电能力大大提高;

           

          4)半导体材料具有光敏性,而金属一般不具有;

           

          5)当不同半导体材料一起工作,一般具有不对称和非线性导电性,而金属材料一般不具有。

           

          半导体的上述特性都和半导体中的电子能量状态有关,电子的能量状态将直接决定半导体材料的性能。

           

          参考文献

          【1】 袁立, , 宋高升,王正元.电力半导体器件原理与应用》.北京:机械工业出版社,2011.

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