物理

电力电子半导体元器件

电子器件，如二极管、晶体管、晶闸管、热敏电阻、光伏电池、光电晶体管、光致抗蚀剂、激光器和集成电路，都是由半导体材料制成的。什么是半导体？半导体器件是工作原理是什么？

谢现实

May 25, 2023 — 9 min read

半导体与掺杂(Doping)

材料可按导电能力分为导体、半导体和绝缘体。半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的材料。硅(Si)是最重要的半导体。实际应用中纯硅片更像是绝缘体，很少直接应用于电子元器件。但当硅片掺杂硼(B)或磷(P)时，其电导率能力发生显著变化。

1、N型半导体

当硅中掺杂了有5个价电子的磷时，磷的四个价电子与相邻硅的价电子形成共价键后，还多出一个没有结合的且可自由移动的价电子。

当在参杂磷的硅两端施加电压时，未结合的电子会向正极迁移。掺杂磷的硅因此被称为负电荷载流子型硅，或者是N型硅。

2、P型半导体

当纯硅中加入有3个价电子的硼时，硼的三个价电子与相邻硅的价电子形成共价键后，还多出一个没有结合的空位，称为空穴。

当在掺杂硼的硅两端施加电压时，空穴将向负极移动。空穴被认为是正电荷载流子，即使不包含物理电荷。掺杂有硼的硅被称为正电荷载流子型硅，或者是P型硅。

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N型和P型硅都具有导电能力；一种是利用未结合的价电子（N型硅），另一种是用空穴（P型硅）。空穴导电实际上移动的也是电子，只是移动的形式会不一样，可以进一步查阅资料。

二极管(Diode)

二极管是一种双引线半导体器件，充当电流流动的单向阀。当阳极的电压比其阴极电压高时，二极管正向偏置并允许电流通过；当阳极的电压比阴极低时，二极管反向偏置并阻断电流。

二极管由一个N型半导体和一个P型半导体组成，交界处形成一个PN结（PN Junction/PN Interface）。 N型半导体有很多传导电子，P型半导体有很多空穴。

当二极管正向偏置时（如下图）：在电场的作用下，N侧的电子和来自P侧的空穴同时往中心PN结移动。电子和空穴结合产生电流，二极管导通。

当二极管反向偏置时（如下图）：在电场的作用下，N侧的电子向右移动，P侧的空穴向左移动，同时在PN结周围形成一个不含载流子的耗尽区（即没有电子，也没有空穴）。耗尽区具有绝缘特性，可防止电流通过二极管。

晶体管(Transistor)

晶体管是用作电控开关或放大器控制的半导体器件。晶体管的两大分类是双极晶体管(Bipolar Transistor)和场效应晶体管 (Field Effect Transistor, FET)。这两个系列之间的主要区别在于双极晶体管是通过电流控制， FET 通过电压控制。从物理结构上，双极晶体管需要正（空穴）和负（电子）载流子才能工作，而 FET 只需要一种电荷载流子。

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FET 只需要一种电荷载流子，要么电子，要么空穴。这个概念很重要。

1、双极晶体管(Bipolar Transistor)

双极晶体管由三个掺杂半导体区域构成的两个极性相反的PN结，这三个区域称为发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)。双极晶体管又可分为下图的NPN与PNP两种类型。

双极晶体管的电路示意图如下：

为了使双极晶体管作为放大器正常工作，基极-发射极 (BE) 必须正向偏置的，而基极-集电极 (BC) 必须反向偏置的。如下图：

当没有电压施加在晶体管的基极时，由于集电极的PN结是反向偏置的，发射极中的电子无法通过集电极。

2、结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor)

结型场效应晶体管(JFET)是一种 FET，它使用反向偏置电压控制通道(Channel)中的电流，根据结构可分为两类：N通道或P通道JFET，通道的两端分别漏极(Drain)和源极(Source)。

对于N通道JFET，通道中的两个P型区扩散区是栅极(Gate)。对于P通道JFET，通道中的两个N型区扩散区是栅极(Gate)。结构如右下图：

与双极晶体管不同，JFET 完全受电压控制，不需要偏置电流。 JFET 的另一个独特特性是，当其栅极和源极之间的PN结没有电压差时，它通常处于导通状态；当其栅极和源极之间的PN结施加反射偏置电压差时，通道会形成一个耗散层，从而阻止电流的通过。

JFET的示意图如下，箭头指向内表示N通道，指向外对表示P通道通道。

3、金属氧化物半导体FET (MOSFET)

金属氧化物半导体场效应晶体管(The Metal-Oxide Semiconductor FET)是第二类场效应晶体管。 MOSFET的又可以进一步分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。两种类型中，增强型MOSFET应用更为广泛。

增强型MOSFET在自然状态下没有导电的通道，在源极和漏极之间放加电压不会产生电流。例如下图N通道的增强型MOSFET，在自然状态下由于反向PN结的存在，源极和漏极之间不导通。当施加正向电压时，$SiO_2$介电层左侧栅极带正电，右侧带负电，从而使N通道导通。此动作类似于电容器充电时发生的情况。对于低于阈值的任何栅极电压，不存在传导沟道。因此E-MOSFET 只工作在增强模式，没有耗尽模式。

增强型MOSFET的示意图如下：虚线表示自然状态下无导电的物理通道，箭头指向内表示N通道，指向外对表示P通道。

耗尽型MOSFET在自然状态下有一个导电的通道（N通道或者P通道）。耗尽型MOSFET可以在两种模式（耗尽型或增强型）下工作，有时也称为耗尽型/增强型 MOSFET。

以N通道耗尽型MOSFET为例：在自然状态下源极与漏极之间有N型半导体连通，呈导电状态。当施加负电压的时候，晶体管处于耗尽模式。由于$SiO_2$的介电作用，左侧栅极带负电，右侧的N通过带正电，从而使N通道电子载流子减少，电流降低。当栅极施加正电压时，晶体管处于增强模式。同样由于$SiO_2$的介电作用，左侧栅极带正电，右侧的N通过带负电，从而使N通道电子载流子增加，电流增加。这些器件通常在耗尽模式下运行。