现代电力电子器件及其应用.docx

1、高 等 学 校 教 材现 代 电 力 电 子 器 件 及 其 应 用华 伟 周 文 定 编 著北 方 交 通 大 学 出 版 社N orthern Jiaotong U niversity Press 清 华 大 学 出 版 社Tsinghua U niversity Press 北 京 B EIJI N G内 容 简 介本书 介 绍 了 电 力 电 子 器 件 的 基本 结 构 、 工 作原 理 、 特 性 参 数 及 基 本 应 用 方 法 。 内 容 包 括 半 导 体 器 件 理 论基 础、 二 极 管( 包 括 普 通 整 流二 极 管 、 肖 特基 二 极 管 、 普 通 快 恢

2、复 二 极 管 、 F R E D 等 )和 晶 体 管 、 晶 闸 管 及 其 派 生 器件 、 G T R 和 G T O 、 功 率 M O S (包 括 沟 槽 栅 M OS 和 V D M O S 同 步 整 流 )、 SIT 和 SIT H 、 IG B T (包 括 N P T-IG B T 、 P T-IG B T、 Sense IG B T 等 )、 IP M 、 M C T 和 器 件 散 热 问 题 。本 书 的 内 容 是 电 力 电 子 技 术 中 关 于 电 力 电 子 器 件 及 其 应 用 技 术 的 重 要 部 分 ,较 全 面 地 反 映 了 电 力 电 子

3、器 件 自 20 世纪 90 年 代 以 来 的 最 新 成 就 。 这 些 内 容 是 确 定 和 解 决 各 种 具 体 的 电 力 电 子 电 路 及 装 置 疑 难 问 题的 不 可 替 代 的 基 础 。本 书 的 读 者 对 象 为 工 业 电 气 自 动 化 专 业 和 电 力 电 子 专 业 的 本 科 和 专 科 学 生 ,硕 士 研 究 生 也 可 参 考 选 用 。 本 书 对于 从 事 开 关 电 源 、 U PS、 逆 变 焊机 、 逆 变 器 等具 体 电 力 电 子 装 置 的 开 发 研 制 、 生 产 和 维 修 人 员 有 较 大 的参 考 价值 ,也 可

4、作 为应 用 、 制 造 和销 售 电 力 电 子 器 件 的 工 程 师的 参 考 书 。版 权 所 有 ,翻 版 必 究 。 本 书 封 面 贴 有 清 华 大 学 出 版 社 激 光 防 伪 标 签 ,无 标 签 者 不 得 销 售 。图 书 在 版 编 目 ( CIP)数 据现 代 电 力 电 子 器 件 及 其 应 用 / 华 伟 . 周 文 定 编 著 ./ 北 京 :北 方 交 通 大 学 出 版 社 ,2002.3高 等 学 校 教 材ISB N 7 - 81082 - 032 - X .现 . . 华 . 周 . . 半 导 体 器 件 高 等 学 校 教 材 . T N 3

5、03中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 定 (2002)第 010201 号责 任 编 辑 : 孙 秀 翠印 刷 者 : 北 京 黄 坎 印 刷 厂出 版 发 行 : 北 方 交 通 大 学 出 版 社 邮 编 : 100044 电 话 : 010 - 62237564,51686045 清 华 大 学 出 版 社 邮 编 : 100084经 销 : 各 地 新 华 书 店开 本 : 7871092 1/ 16 印 张 : 12.75 字 数: 310 千字 版 次 : 2002 年 3 月第 1 版 2003 年 10 月 第 2 次 印 刷印 数 : 5 001 8 000 册

6、 定 价 :19.00 元前 言电 力 电 子 学 是 服 务 于 电 能 的 变 换 、 控 制 、 产 生 和 输 送 的 一 个 现 代 电 子 学 分 支 , 以 工 业 应 用为 主 要 对 象 ,包 含 了 电 力 电 子 器 件 、 电 力 电 子 电 路 与 装 置 系 统 两 个 基 本 组 成 部 分 , 其 中 电 力 电子 器 件 及 其 应 用 技 术 是 基 础 。现 代 电 力 电 子 技 术 中 使 用 的 器 件 绝 大 多 数 都 是 半 导 体 器 件 , 只 在 频 率 很 高 的 大 功 率 高 频无 线 发 射 机 中 还 在 使 用 电 真 空 器

7、 件 。 由 于 电 真 空 器 件 体 积 大 、 功 耗 高 , 它 在 电 力 电 子 技 术 中 的 最 后 这 块 领 地 也 即 将 被 新 型 电 力 半 导 体 器 件 所 占 领 。 目 前 具 有 “固 体 电 子 管” 之 称 的 静 电 感 应 晶 体 管 (SIT) 和 射 频 功 率 M O S 场 效 应 晶 体 管 及 射 频 双 极 功 率 晶 体 管 已 在 中 小 型 射 频 功 率 (400 M Hz 1000 M H z/ 10 W 100 W )范 围 的 应 用 获 得 成 功 。 因 此 , 人 们 通 常 所 说 的 电 力 电 子 器 件 都

8、 是 指 的 电 力 半 导 体 器 件 。电 力 半 导 体 器 件 已 经 走 过 了 50 年 概 念 更 新 、 性 能 换 代 的 发 展 历 程 。 以 硅 整 流 器 和 可 控 硅 整 流 器 (S C R 现 称 晶 闸 管 )为 代 表 的 第 一 代 电 力 半 导 体 器 件 , 以 其 体 积 小 、 功 耗 低 等 优 势 首 先 在 大 功 率 整 流 电 路 中 迅 速 取 代 了 老 式 的 汞 弧 整 流 器 ,取 得 了 明 显 的 节 能 效 果 , 并 奠 定 了 现 代 电 力 电 子 学 的 基 础 。 但 是 ,这 一 代 器 件 只 能 控 制

9、 导 通 而 不 能 控 制 关 断 ,且 工 作 频 率 较 低 , 处 在 这个 阶 段 的 电 力 电 子 学 领 域 相 对 来 说 还 是 比 较 狭 窄 的 。 自 20 世 纪 70 年 代 中 期 起 , 随 着 电 力 晶体 管 ( G T R) 和 可 关 断 晶 闸 管 ( G T O )等 通 断 两 态 双 可 控 的 双 极 器 件 以 及 功 率 M O S 场 效 应 晶 体管 和 静 电 感 应 晶 体 管 (SIT )等 通 断 两 态 双 可 控 的 单 极 器 件 的 开 发 和 兴 起 , 电 力 电 子 学 遂 日 益完 善 以 至 成 熟 。 有

10、人 将 这 一 类 具 有 自 关 断 能 力 的 器 件 称 为 第 二 代 电 力 电 子 器 件 。 这 一 代 器 件 中 还 包 括 结 合 了 单 、 双 极 器 件 双 方 的 优 势 于 一 身 的 、 在 20 世 纪 80 年 代 才 开 发 出 来 的 绝 缘 栅 晶 体 管 (IG B T)和 M O S 控 制 的 晶 闸 管 ( M C T )。 这 一 代 器 件 有 一 个 共 同 特 点 , 就 是 采 用 了 多 个 全同 器 件 单 元 的 集 成 结 构 ,由 几 十 、 几 百 乃 至 几 十 万 个 具 有 相 同 功 能 和 结 构 的 元 胞 并

11、 联 集 成 的 功率 集 成 器 件 。 这 一 代 器 件 的 出 现 和 发 展 是 高 压 大 电 流 器 件 技 术 同 微 电 子 技 术 相 结 合 的 自 然 结 果 ,可 称 之 为 功 率 集 成 。 自 20 世 纪 80 年 代 中 后 期 起 , 电 力 电 子 器 件 有 两 个 智 能 化 发 展 方 向 : 一 个 是 以 智 能 功 率 模 块 (Inteligent Po w er M odule-IP M ) 为 代 表 的 功 率 集 成 模 块 方 向 , 已 经 广 泛 应 用 ;另 一 个 是 功 率 集 成 电 路 方 向 ( PIC ), 目

12、前 仍 然 处 于 发 展 中 , 主 要 用 在 汽 车 电 子 领 域 。 功 率 集 成 模 块 由 功 率 开 关 器 件 和 它 的 驱 动 电 路 、 保 护 电 路 、 逻 辑 控 制 电 路 以 及 相 关 的 传 感 元 器 件 等 组 成 ,从 而 在 同 一 模 块 上 实 现 了 功 率 开 关 同 微 电 子 线 路 和 半 导 体 传 感 器 技 术 的 复 杂 集 成 。 这 种 被 称 之 为 第 三 代 智 能 化 电 力 电 子 器 件 的 高 技 术 产 品 使 能 量 和 信 息 结 合 , 是 机 和 电 的 关 键接 口 。 因 此 ,处 在 这 一

13、 水 平 上 的 电 力 电 子 学 将 给 传 统 工 业 以 巨 大 冲 击 , 有 人 认 为 智 能 化 电 力 电 子 器 件 的 成 功 是 第 二 次 电 力 电 子 革 命 即 将 到 来 的 标 志 。对 于 处 在 这 样 一 个 历 史 时 期 的 、 从 事 电 力 电 子 电 路 与 装 置 研 制 的 工 程 技 术 人 员 和 即 将 从事 这 类 工 作 的 青 年 学 生 来 说 ,了 解 各 种 新 旧 电 力 电 子 器 件 的 工 作 原 理 和 性 能 特 点 , 从 器 件 物 理 本质 上 认 识 器 件 , 对 于 更 好 地 使 用 器 件 ,

14、 乃 至 更 经 济 地 、 更 高 性 能 地 设 计 和 制 造 电 力 电 子 装 置 ,都 是 有 所 裨 益 并 十 分 必 要 的 。 正 是 基 于 这 种 考 虑 , 北 方 交 通 大 学 电 气 工 程 学 院 在 工 业 电 气 自 动 化 专 业 中 开 设 了 “电 力 电 子 器 件 及 其 应 用 ”课 程 , 本 教 材 是 经 过 校 专 家 评 审 委 员 会 评 选 后推 荐 出 版 的 。本 书 分 为 6 章 。 根 据 主 要 对 象 是 学 习 电 力 电 子 电 路 和 装 置 设 计 的 大 学 本 科 学 生 这 一 特 点 ,第 1 章 扼

15、 要 介 绍 了 有 关 半 导 体 的 最 基 本 知 识 , 作 为 以 后 章 节 的 理 论 基 础 。 第 2 章 介 绍 了 半 导 体 二 极 管 和 晶 体 管 ,包 括 双 极 晶 体 管 和 场 效 应 晶 体 管 。 这 些 器 件 本 身 是 在 电 力 电 子 电 路 和系 统 中 必 不 可 少 的 ,更 重 要 的 是 , 它 们 也 是 最 基 本 最 典 型 的 半 导 体 器 件 , 理 解 它 们 的 工 作 原 理是 理 解 各 种 复 杂 电 力 电 子 器 件 的 基 础 。 第 3 章 介 绍 了 晶 闸 管 和 4 种 派 生 器 件 ,重 点

16、是 晶 闸 管 。 第 4 章 和 第 5 章 分 别 介 绍 了 电 流 控 制 型 和 电 压 控 制 型 自 关 断 器 件 , 是 本 书 的 重 点 。 第 5 章 中 介绍 的 器 件 包 括 了 在 国 内 现 行 教 材 中 基 本 未 曾 提 及 的 N P T-IG B T 、 IP M 、 M C T 。 虽 然 这 些 器 件 在 短 期 内 还 不 大 可 能 有 成 熟 的 国 产 产 品 供 应 ,但 在 改 革 开 放 的 形 势 下 , 进 口 器 件 已 经 开 始 在 国 内 广 泛 应 用 。 第 6 章 介 绍 了 有 关 功 率 器 件 的 散 热

17、问 题 ,是 完 全 针 对 使 用 器 件 的 人 员 编 写 的 。本 书 从 电 力 电 子 器 件 的 工 作 参 数 出 发 ,探 讨 器 件 的 工 作 原 理 , 力 图 避 免 过 多 过 繁 的 数 学 推 导 ,侧 重 于 将 概 念 表 达 清 楚 , 以 适 应 非 半 导 体 专 业 本 科 学 生 的 知 识 结 构 和 兴 趣 , 使 他 们 通 过 较少 时 间 的 学 习 也 能 对 这 些 器 件 从 物 理 本 质 上 获 得 较 深 刻 的 认 识 , 以 便 将 来 在 应 用 这 些 器 件 时从 理 论 上 有 所 遵 循 ,尽 可 能 克 服 盲

18、 目 性 和 经 验 主 义 。许 多 实 践 证 明 :对 于 电 力 电 子 器 件 仅 有 一 知 半 解 的 知 识 是 不 可 能 应 用 好 电 力 电 子 器 件 的 , 因 为 电 力 电 子 电 路 及 装 置 的 五 大 参 数 性 能 均 与 电 力 电 子 器 件 有 着 密 切 的 关 系 , 这 五 大 参 数 的性 能 是 高 可 靠 性 、 高 效 率 、 高 性 能 、 高 功 率 密 度 、 高 功 率 因 数 。 对 电 力 电 子 器 件 及 其 应 用 技 术 的 深 刻 理 解 和 掌 握 是 研 制 “ 五 高 ”电 力 电 子 装 置 的 关 键

19、 要 素 之 一 。 另 外 , 在 电 子 设 计 自 动 化 ( E D A) 时 代 ,电 子 线 路 仿 真 软 件 (如 Pspice、 Saber 等 ) 的 有 效 使 用 也 需 要 较 多 的 ( 电 力 ) 电 子 器 件 知 识 。电 力 电 子 器 件 的 发 展 日 新 月 异 , 本 书 在 编 写 过 程 中 吸 收 增 加 了 许 多 最 新 内 容 , 如 N P T- IG B T 、 V D M O S 的 同 步 整 流 、 沟 槽 栅 V D M O S( Trench M O S)、 沟 槽 栅 IG B T ( Trench I G B T ) 智

20、能 功 率 模 块 (IP M )、 M C T 的 目 前 发 展 状 况 、 快 恢 复 外 延 二 极 管 F R E D 、 碳 化 硅 ( SiC) 肖 特 基 二 极 管 等 内 容 。 并 增 加 了 许 多 器 件 的 发 明 过 程 简 介 、 目 前 状 况 及 今 后 发 展 方 向 的 背 景 知 识 , 既 增 加 了 学 习 的 趣 味 性 ,又 能 够 更 深 刻 地 理 解 及 应 用 好 电 力 电 子 器 件 。 这 些 新 的 内 容 , 对 提 高 学 生 的 创 新 思 维 能 力 也 有 所 启 发 ,例 如 , 双 极 晶 体 管 的 发 明 获

21、得 过 诺 贝 尔 物 理 奖 。 至 高 无 上 的 创 新 思 维 能 力 应 该 从 不 同 的 课 程 中 得 到 启 发 和 培 养 。本 书 由 北 方 交 通 大 学 电 气 工 程 学 院 电 能 变 换 与 控 制 研 究 所 的 华 伟 副 教 授 主 编 。 北 京 晶 川 电 子 技 术 发 展 有 限 责 任 公 司 的 周 文 定 研 究 员 编 写 了 部 分 内 容 , 并 为 本 书 的 编 写 提 供 了 有 用 的资 料 , 提 出 了 宝 贵 的 意 见 , 给 予 了 大 力 支 持 。 两 位 编 者 从 事 电 力 电 子 器 件 及 其 应 用

22、技 术 的 研究 、 教 学 、 应 用 推 广 工 作 都 有 10 年 以 上 的 时 间 , 均 具 有 坚 实 的 半 导 体 理 论 基 础 , 既 做 过 具 体 的 电 力 电 子 器 件 研 制 ,也 从 事 过 大 量 的 电 力 电 子 电 路 及 装 置 的 研 制 开 发 , 并 对 国 内 外 电 力 电 子 器 件 的 发 展 及 市 场 应 用 情 况 具 有 较 全 面 的 认 识 。 但 由 于 我 们 水 平 及 能 力 有 限 ,时 间 也 有 些 仓 促 , 书 中 肯 定 还 有 错 误 和 不 妥 之 处 ,敬 请 读 者 予 以 批 评 指 正 ,

23、 以 便 修 改 。 我 们 也 欢 迎 与 读 者 探 讨 交 流 电 力 电 子 器 件 及 其 应 用 技 术 ,具 体 联 系 地 址 见 下 。在 编 写 过 程 中 ,郑 国 青 、 朱 俊 星 、 张 勇 、 张 妍 等 提 供 了 许 多 帮 助 , 北 方 交 通 大 学 出 版 社 的 孙 秀 翠 等 编 辑 提 供 了 许 多 的 帮 助 与 支 持 ,在 此 表 示 衷 心 感 谢 !本 书 受 北 方 交 通 大 学 出 版 基 金 资 助 。华 伟 周 文 定 2002 年 3 月周 文 定 联 系 地 址 :北 京 晶 川 电 子 技 术 发 展 有 限 责 任

24、公 司北 京 市 方 庄 芳 城 园 1 区 3 号 金 都 公 寓 A-1702 (邮 编 :100078) 电 话 :(010)67656750 或 (010) 67614103E- m ail: jingchuan a- http:/ w w w .jingchuan-bj.co m目 录第 1 章 半 导 体 器 件 的 理 论 基 础 ( 1 )1. 1 半 导 体 基 础 ( 1 )1. 1. 1 半 导 体 与 金 属 中 的 载 流子 ( 2 )1. 1. 2 电 子 在 金 属 和 半 导 体 中的 能 量 分 布 ( 5 )1. 1. 3 半 导 体 导 电 的 热 敏 性

25、 ( 7 )1. 2 P N 结 原 理 ( 8 )1. 2. 1 平 衡 条 件 下 的 P N 结 ( 9 )1. 2. 2 偏 置 条 件 下 的 P N 结 (11)1. 2. 3 P N 结 的 穿 通 与 击 穿 (14)1. 2. 4 P N 结 的 热 效 应 (16)1. 2. 5 P N 结 的 电 容 (17)1. 2. 6 P N 结 的 动 态 特 性 (18)参 考 文 献 (21)思 考 题 (21)第 2 章 半 导 体 二 极 管 与 晶 体 管 (22)2. 1 半 导 体 二 极 管 (22)2. 1. 1 分 段 线 性 模 型 (22)2. 1. 2

26、P N 结 功 率 二 极 管 (23)2. 1. 3 F R E D ( Fast Recovery E pitaxial Diode) (27)2. 1. 4 稳 压 二 极 管 (27)2. 1. 5 肖 特 基 势 垒 二 极 管 (28)2. 1. 6 碳 化 硅 肖 特 基 势 垒 二 极管 (31)2. 2 双 极 晶 体 管 ( BJT) (31)2. 2. 1 双 极 晶 体 管 的 基 本 结 构 (32)2. 2. 2 双 极 晶 体 管 的 基 本 工 作原 理 (32)2. 2. 3 双 极 晶 体 管 的 放 大 作 用 (35)2. 2. 4 双 极 晶 体 管

27、的 静 态 工 作特 性 (37)2. 2. 5 双 极 晶 体 管 的 特 性 参 数 (39)2. 3 场 效 应 晶 体 管 ( F E T ) (41)2. 3. 1 结 型 场 效 应 晶 体 管( JF E T) (42)2. 3. 2 绝 缘 栅 场 效 应 晶 体 管( M O SF E T) (45)参 考 文 献 (51)思 考 题 (52) 第 3 章 晶 闸 管 (53)3. 1 晶 闸 管 的 工 作 原 理 与 特 性 (54)3. 1. 1 晶 闸 管 的 基 本 结 构 和 基本 特 性 (54)3. 1. 2 晶 闸 管 的 基 本 工 作 原 理 (55)3

28、. 1. 3 晶 闸 管 的 静 态 特 性 与 参数 (59)3. 1. 4 晶 闸 管 的 动 态 特 性 与 参数 (66)3. 1. 5 晶 闸 管 特 性 参 数 表 (72)3. 2 特 种 用 途 晶 闸 管 (73)3. 2. 1 快 速 晶 闸 管 (FS T) (73)3. 2. 2 逆 导 晶 闸 管 ( R C T) (74)3. 2. 3 双 向 晶 闸 管 ( T RIA C) (76)3. 2. 4 光 控 晶 闸 管 (L T T) (79)3. 3 晶 闸 管 应 用 基 础 (81)3. 3. 1 晶 闸 管 的 串 并 联 应 用 (81)3. 3. 2

29、晶 闸 管 的 保 护 方 式 (82)参 考 文 献 (87)思 考 题 (87)第 4 章 自 关 断 双 极 器 件 (88)4.1 巨 型 双 极 晶 体 管 ( G T R) (89)4.1.1 G T R 的 结 构 (90)4.1.2 G T R 的 工 作 特 性 (92)4.1.3 G T R 的 击 穿 特 性 与 安 全 工 作 区 (96)4.2 门 极 可 关 断 晶 闸 管 ( G T O) (102)4.2.1 G T O 的 基 本 结 构 和 工 作 原 理 (102)4.2.2 G T O 的 基 本 特 性 及 特 性 参 数 (105)4.2.3 G T

30、 O 的 失 效 与 保 护 (111)参 考 文 献 (113)思 考 题 (113)第 5 章 功 率 场 控 器 件 (114)5.1 功 率 M O SF E T (114)5.1.1 功 率 M O SF E T 的 结 构 (115)5.1.2 功 率 M O SF E T 的 工 作 特 性 (119)5.1.3 功 率 M O SF E T 的 可 靠 性 问 题 (128)5.1.4 功 率 M O SF E T 的 应 用 基 础 (135)5.2 IG B T 、 M C T 和 IP M (140)5.2.1 IG B T 的 基本 结 构 和 工 作 原 理 (141

31、)5.2.2 IG B T 的 工 作 特 性 (145) 5.2.3 M C T (154)5.2.4 智 能 功 率 模 块 IP M (Inteligent Pow er M odule) (157)5.3 SIT 和 SIT H (158)5.3.1 SIT 和 SIT H 的 基 本 结 构 (158)5.3.2 SIT 的 工 作 原 理 与 特 性 (160)5.3.3 SIT H 的 工 作 原 理 和 特 性 (164)5.3.4 SIT 和 SIT H 的 基 本 使 用 方 法 (168)参 考 文 献 (169)思 考 题 (169)第 6 章 电 力 电 子 器 件

32、的 散 热 (171)6.1 稳 态 热 阻 与 瞬 态 热 阻 抗 (171)6.1.1 稳 态 热 阻 (171)6.1.2 瞬 态 热 阻 抗 (173)6.2 耗 散 功 率 与 结 温 (175)6.2.1 结 温 (175)6.2.2 耗 散 功 率 (177)6.3 散 热 器 设 计 (178)6.3.1 整 流 二 极 管 和 晶 闸 管 的 散 热 器 设 计 (179)6.3.2 双 极 晶 体 管 的 散 热 器 设 计 (181)6.3.3 功 率 M O SF E T 的 散 热 器 设 计 (182)参 考 文 献 (183)思 考 题 (183)附 录 1 19

33、56 年 诺 贝 尔 物 理 奖 晶 体 管 的 发 明 经 过 及 电 力 电 子 器 件 的 发 展 (184)附 录 2 引 人 注 目 的 新 型 IG B T: N P T-IG B T (187) 第 1 章 半 导 体 器 件 的 理 论 基 础在 目 前 使 用 的 各 种 电 子 器 件 中 , 半 导 体 器 件 所 占 的 比 例 最 高 。 尤 其 是 在 电 力 电 子 技 术 领域 ,所 用 的 器 件 绝 大 多 数 都 是 半 导 体 器 件 , 只 有 高 频 和 微 波 功 率 源 装 置 还 在 使 用 真 空 管 , 而 这 种 状 态 目 前 也 正

34、在 改 变 。 半 导 体 器 件 之 所 以 能 够 在 电 子 学 的 各 个 领 域 逐 渐 取 代 真 空 管 , 其 主 要 原 因 是 它 们 的 体 积 小 、 重 量 轻 、 耗 能 低 。 由 于 电 力 电 子 技 术 是 以 电 能 的 变 换 、 控 制 、 产 生 和 传 输 为 目 的 ,而 半 导 体 器 件 所 具 有 的 特 点 和 优 点 , 十 分 适 合 其 需 要 , 所 以 电 力 电 子 器 件 全 盘 半 导体 化 乃 势 所 必 然 。与 其 他 各 种 电 子 器 件 一 样 ,半 导 体 器 件 的 功 能 也 可 以 用 一 句 话 来

35、概 括 , 那 就 是 控 制 电 子 的 运 动 。 本 书 的 目 的 是 要 帮 助 读 者 了 解 各 种 电 力 半 导 体 器 件 的 工 作 原 理 和 基 本 特 性 ,从 根 本 上掌 握 这 些 器 件 的 使 用 方 法 。 为 此 目 的 ,读 者 必 须 首 先 了 解 半 导 体 中 电 子 运 动 的 基 本 规 律 , 了 解 半 导 体 有 别 于 金 属 的 特 殊 性 ,并 以 此 为 基 础 了 解 半 导 体 器 件 的 基 本 结 构 及 一 般 工 作 原 理 。 本章 即 为 此 而 设 。 鉴 于 本 书 的 主 要 读 者 是 非 半 导 体

36、 专 业 的 工 科 大 学 生 及 工 程 师 , 对 上 述 问 题 的讨 论 主 要 采 取 定 性 方 式 。 需 要 比 较 深 入 了 解 这 些 内 容 的 读 者 ,可 参 阅 其 他 相 关 文 献 。1. 1 半 导 体 基 础尽 管 目 前 使 用 的 电 力 半 导 体 器 件 大 多 是 用 单 晶 硅 制 成 的 , 但 硅 并 非 惟 一 可 用 来 制 作 功 率器 件 的 半 导 体 材 料 。 自 然 界 中 可 归 入 半 导 体 之 列 的 材 料 可 谓 难 计 其 数 ,仅 单 元 素 材 料 就 有 硅 、 锗 、 硒 、 灰 锡 、 金 刚 石

37、等 8 种 。 除 此 之 外 , 各 种 化 合 物 和 固 溶 体 材 料 中 , 也 有 很 多 实 用 价 值 颇 高 的 半 导 体 ,其 中 砷 化 镓 和 碳 化 硅 还 是 很 有 前 途 的 功 率 器 件 材 料 。 那 什 么 样 的 材 料 可 被 称 为 半 导 体呢 ? 人 们习 惯 于用 电阻 率 的 高 低 来 区 分 导 体、 半 导 体 和 绝 缘 体 ,把 电 阻 率 在 10 - 6 10 8 m 范围 内 的 材 料 归 入 半 导 体 之 列 ,这 其 实 是 不 够 严 密 的 。 某 些 结 构 完 整 且 不 含 杂 质 的 半 导 体 也 会

38、具 有 跟 绝 缘 体 不 相 上 下 的 高 电 阻 率 ,而 当 它 们 含 有 足 够 浓 度 的 某 些 特 殊 杂 质 时 , 其 电 阻 率 又 会 下 降 到 金 属 电 阻 率 的 范 围 ,甚 至 比 某 些 导 电 性 欠 佳 的 金 属 导 体 的 电 阻 率 还 低 , 这 种 现 象 被 称 为 电 阻 率 的 结 构 与 组 分 敏 感 性 。 除 此 之 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 的 电 阻 率 对 环 境 温 度 和 光 照 乃 至 外 加 磁 场 和 电 场

39、 的 敏 感 性 要 强 得 多 , 因而 从 本 质 上 说 ,半 导 体 是 导 电 能 力 明 显 依 赖 于 材 料 的 内 外 状 态 的 一 类 特 殊 物 质 。既 然 导 体 和 半 导 体 都 是 能 够 传 导 电 流 的 物 体 ,为 什 么 半 导 体 可 以 用 来 制 造 像 晶 体 管 、 晶 闸 管 那 样 的 电 子 器 件 ,而 作 为 良 导 体 的 金 属 却 不 能 呢 ? 这 或 许 正 与 半 导 体 的 电 阻 率 可 变 性 有 关 。 为 了 说 明 这 个 问 题 ,首 先 来 看 一 下 半 导 体 与 金 属 在 载 流 子 方 面 的

40、 差 别 , 然 后 从 电 子 按 能 量 分 布 的 角 度 ,进 一 步 说 明 这 种 差 别 的 本 质 。 器 件 因 其 自 身 的 功 率 消 耗 而 发 热 , 并 通 过 材 料 特 性 的 热 敏 性 改 变 工 作 特 性 ,这 个 问 题 对 电 力 电 子 器 件 尤 为 重 要 , 因 而 本 书 还 将 着 重 解 释 半 导 体 导 电 的2 现 代 电 力 电 子 器 件 及 其 应 用热 敏 特 征 。 通 过 对 这 些 问 题 的 讨 论 ,希 望 能 帮 助 读 者 在 解 决 这 些 问 题 的 同 时 , 对 半 导 体 的 基 本 性 质 获

41、得 概 括 性 的 了 解 ,以 便 更 好 地 理 解 以 后 各 章 的 内 容 。1. 1. 1 半 导 体 与 金 属 中 的 载 流 子众 所 周 知 ,电 流 是 电 子 在 导 体 中 的 定 向 流 动 。 在 金 属 中 , 能 够 运 载 电 流 的 只 是 其 中 的 自 由 电 子 ,它 们 是 金 属 原 子 结 合 成 固 体 时 释 放 出 来 供 全 体 原 子 共 有 的 最 外 层 电 子 , 即 价 电 子 。 为 了 与 仍 然 被 各 原 子 束 缚 着 的 、 不 能 导 电 的 内 层 电 子 相 区 别 , 人 们 将 这 些 电 子 称 为 载

42、 流 子 。 单 位 体 积 中 的 载 流 子 数 目 叫 载 流 子 密 度 ,它 从 一 个 方 面 反 映 材 料 导 电 能 力 的 大 小 。 由 于 金 属 原 子 结合 成 固 体 时 不 再 能 单 独 束 缚 其 价 电 子 ,所 有 价 电 子 即 便 在 绝 对 零 度 也 是 自 由 的 , 因 而 其 载 流 子 密 度 与 原 子 密 度 同 数 量 级 , 且 不 随 温 度 变 化 而 明 显 改 变 , 其 典 型 值 在 102 8 102 9 m - 3 之 间 。 载流 子 在 电 场 中 的 定 向 运 动 叫 漂 移 运 动 。 一 种 材 料 导

43、 电 性 的 强 弱 不 仅 与 其 载 流 子 密 度 有 关 , 还与 载 流 子 的 漂 移 速 度 有 关 。 载 流 子 在 单 位 电 场 中 的 漂 移 速 度 叫 迁 移 率 , 这 是 一 个 在 电 场 不 太强 时 与 场 强 无 关 的 物 理 量 ,反 映 材 料 对 其 载 流 子 定 向 运 动 的 阻 尼 大 小 , 单 位 是 m 2/ ( Vs) 。利 用 欧 姆 定 律 的 微 分 形 式 j = E, 可 以 导 出 电 导 率 的 表 达 式 = qn (1-1)式 中 , q 代 表 电 子 的 电 量 ; n 和 分 别 是 导 电 电 子 的 密

44、 度 和 迁 移 率 。 在 国 际 单 位 制 中 , 电 导 率 的 单 位 是 西 门 子 每 米 (S/ m ) 。半导 体中 的 载流 子除 了 带负 电的 电子 之 外 ,还 有一 种 被称 为空 穴 的正 电荷 携 带 者。 由 于 正 、 负电 荷在 同一 电 场中 的运 动方 向 相 反 , 因 而 空 穴 同 电 子 对 电 流 的 输 运 效 果 是 相 互 增 强 的 。 要 真 正理 解空 穴 的概 念需 要 有固 体能 带理 论 的基 础 ,那 已 超出 了本 书 讨论 问题 的 范 畴 , 因 此 只 能 用 一 个 不 太 严 密 但 较 为 直 观 的 简 单

45、 解 释 来 帮 助 读 者 理 解 空 穴 的 概 念 。 跟 金 属 中 的 情 形 大 不 一 样 的 是 ,半 导体 中 的所 有组 成 原子 在绝 对零 度 下都 把它 们 的电 子 ,包 括 最外 层 电 子 ,紧 紧 束缚 在 周 围 , 使它 们不 能 像金 属中 的 价电 子那 样在 电 场作 用下 参 与导 电。 但是 ,随 着温 度 的 上 升 , 半 导 体 中 电 子 的 平 均 能 量 也 将 有 所 增 加 ,束 缚 最 弱 的 外 层 电 子 中 少 量 获 得 足 够 能 量 者 将 有 可 能 挣 脱 束 缚 成 为可 参与 导 电的 自由 电 子 ,同 时

46、在 其 原束 缚处 留下 一 个电 子空 缺 ,这就 是 所 谓空 穴 。 若 半导 体 晶 体中 没有 任 何原 子释 放 被其 束缚 的价 电 子 ,即 一个 空 穴都 不存 在 时 ,所 有的 价 电 子 显 然 都只 能 在 原 位 束 缚 着 ,它 们 是 不 可 动 的 。 但 是 ,一 旦 某 处 出 现 了 一 个 空 穴 ,被 其 附 近 原 子 束 缚 着 的 价 电 子 就 有 可 能 挣 脱 原 先 的 束 缚 去 填 补 它 , 成 为 该 处 的 束 缚 电 子 ,同 时 在 新 的 位 置 上 产 生 一 个 空 穴 ,这 一 过 程 其 实 就 是 空 穴 与

47、束 缚 电 子 在 相 邻 原 子 间 交 换 位 置 。 这 种 交 换 可 以 不 断 地 延 续 下 去 。 这 就 是 说 ,一 个 空 穴 的 出 现 为 所 有 被 束 缚 的 价 电 子 提 供 了 一 个 运 动 机 会 。 尽 管 运 动 的 实 体 是 众 多 的 束 缚 电 子 ,空 穴 仅 仅 是 一 个 缺 少 电 子 的 空 状 态 ,但 是 所 有 束 缚 电 子 的 运 动 却 造 成 了 这 个 空 穴 的 运 动 。 在 空 穴 数 远 小 于 束 缚 电 子 数 的 情 况 下 ,空 穴 的 运 动 图 像 要 远 比 束 缚 电 子 的 运 动 图 像

48、明 晰 得 多 ,正 如 用烧 杯烧 水时 观 察到 的气 泡 与水 交换 位置 的 运动 情景 那 样。在 电 场 为 零 的 情 况 下 ,束 缚 电 子 与 空 穴 交 换 位 置 的 过 程 是 随 机 发 生 的 , 因 而 空 穴 的 运 动 轨 迹 是 杂 乱 无 章 的 。 但 是 当 电 场 不 为 零 时 ,即 便 是 束 缚 电 子 , 也 会 跟 自 由 电 子 一 样 有 沿 电 场 反 方 向 运 动 的 趋 势 ,因 而 空 穴 与 电 场 方 向 上 的 邻 近 束 缚 电 子 交 换 位 置 的 可 能 性 最 大 。 于 是 我 们 看到 了 空 穴 在 沿

49、 电 场 方 向 运 动 ,跟 一 个 正 电 荷 的 运 动 一 样 。 这 运 动 的 结 果 , 形 成 了 沿 电 场 方 向 的 电 流 ,因 而 把 空 穴 也 看 成 是 一 种 载 流 子 。 只 不 过 它 运 载 的 是 正 电 荷 。 在 空 穴 运 动 的 同 时 , 半第 1 章 半 导 体 器 件 的 理 论 基 础 31 6导 体 中 的 自 由 电 子 反 电 场 方 向 运 动 , 也 形 成 了 沿 电 场 方 向 的 电 流 。 可 用 图 1-1 来 形 象 地 描 绘半 导 体 中 这 两 种 载 流 子 在 电 场 中 的 定 向 运 动 。 图 中 大 球 代 表 半 导 体 晶 体 中 规 则 排 列 的 原 子 , 即 所 谓 点 阵 原 子 ,实 心 和 空 心 小 球 分 别 代 表 自 由 电 子 和 空 穴 , 短 实 线 代 表 没 有 移 动 过 的 束 缚 电 子 ,而 短 虚 线 代 表 与 空 穴 的 运 动 有 关 的 移 动 过 的 束 缚 电 子 , 带 箭 头 的 虚 线 代 表 束 缚 电 子 和 自 由 电 子 的 运 动 轨 迹 。 在