MOS管、三極管、IGBT之間的因果關(guān)系 區(qū)別與聯(lián)系最全解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-07-29
大家都知道MOS管、三極管、IGBT的標(biāo)準(zhǔn)定義，但是很少有人詳細(xì)地、系統(tǒng)地從這句話抽絲剝繭，一層一層地分析為什么定義里說(shuō)IGBT是由BJT和MOS組成的，它們之間有什么區(qū)別和聯(lián)系，在應(yīng)用的時(shí)候，什么時(shí)候能選擇IGBT、什么時(shí)候選擇BJT、什么時(shí)候又選擇MOSFET管。這些問(wèn)題其實(shí)并非很難，你跟著我看下去，就能窺見(jiàn)其區(qū)別及聯(lián)系。
PN結(jié)：從PN結(jié)說(shuō)起
PN結(jié)是半導(dǎo)體的基礎(chǔ)，摻雜是半導(dǎo)體的靈魂，先明確幾點(diǎn)：
1、P型和N型半導(dǎo)體： 本征半導(dǎo)體摻雜三價(jià)元素，根據(jù)高中學(xué)的化學(xué)鍵穩(wěn)定性原理，會(huì)有 “空穴”容易導(dǎo)電，因此，這里空穴是“多子”即多數(shù)載流子，摻雜類型為P（positive）型；同理，摻雜五價(jià)元素，電子為“多子”，摻雜類型為N（negative）型。
2、載流子：導(dǎo)電介質(zhì)，分為多子和少子，概念很重要，后邊會(huì)引用
3、空穴”帶正電，電子帶負(fù)電，但摻雜后的半導(dǎo)體本身為電中性
4、P+和N+表示重度摻雜；P-和N-表示輕度摻雜
PN結(jié)原理如下圖，空穴和電子的擴(kuò)散形成耗盡層，耗盡層的電場(chǎng)方向如圖所示：
PN結(jié)正偏：PN結(jié)加正向電壓，如下圖
此時(shí)P區(qū)多子“空穴”在電場(chǎng)的作用下向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，N區(qū)多子電子相反，使耗盡層變窄至消失，正向?qū)щ奜K，也可以理解成外加電場(chǎng)克服耗盡層內(nèi)電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，該電壓一般為0.7V或0.3V。二極管正向?qū)ǖ脑砑词侨绱恕?/span>
PN結(jié)反偏：PN結(jié)加反向電壓，如下圖：
反偏時(shí)，多子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)使PN結(jié)加寬，電流不能通過(guò)，反向截止；二極管反向截止的原理就是這樣。但是，此時(shí)少子在內(nèi)外電場(chǎng)的作用下移動(dòng)，并且耗盡層電場(chǎng)方向使少子更容易通過(guò)PN結(jié)，形成漏電流。得出重要結(jié)論，劃重點(diǎn)：反偏時(shí)，多數(shù)載流子截止，少數(shù)載流子很容易通過(guò)，并且比正偏時(shí)多數(shù)載流子通過(guò)PN結(jié)還要輕松。
上邊說(shuō)PN結(jié)反偏的時(shí)候，少數(shù)載流子可以輕易通過(guò)，形成電流，正常情況小少子的數(shù)量極少，反向電流可忽略不計(jì)。
現(xiàn)在我們就控制這個(gè)反向電流，通過(guò)往N區(qū)注入少子的方式，怎么注入，在N區(qū)下再加一個(gè)P區(qū)，并且使新加的PN結(jié)正偏，如下：
上圖中，發(fā)射結(jié)正偏，空穴大量進(jìn)入基區(qū)，他們?cè)诨鶇^(qū)身份仍然是少數(shù)載流子的身份，此時(shí)，如前所述，這些注入的少數(shù)載流子很容易通過(guò)反偏的PN結(jié)——集電結(jié)，到達(dá)集電極，形成集電極電流Ic。
于是，我們課堂上背的三極管放大導(dǎo)通條件是<發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏>就非常容易理解了，上一張三極管的特性曲線。
這里涉及了飽和區(qū)的問(wèn)題，三極管工作在飽和區(qū)時(shí)Vce很小，有人說(shuō)飽和區(qū)條件是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏，這很容易讓人誤解；發(fā)射結(jié)正偏導(dǎo)通沒(méi)問(wèn)題，但集電結(jié)并沒(méi)有達(dá)到正偏導(dǎo)通，若集電結(jié)正偏導(dǎo)通，就跟兩個(gè)二極管放一起沒(méi)區(qū)別；集電結(jié)的正偏電壓阻礙基區(qū)少子向集電極漂移，正偏越厲害，少子向集電極運(yùn)動(dòng)越困難，即Ic越小，因此飽和狀態(tài)下的Ic是小于放大狀態(tài)下的βIb的，此時(shí)，管子呈現(xiàn)出很小的結(jié)電阻，即所謂的飽和導(dǎo)通。
MOS管結(jié)構(gòu)原理：以N-MOS為例，a：P型半導(dǎo)體做襯底；b：上邊擴(kuò)散兩個(gè)N型區(qū)，c：覆蓋SiO2絕緣層；在N區(qū)上腐蝕兩個(gè)孔，然后金屬化的方法在絕緣層和兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)電極：G（柵極）、D（漏極）、S（源極）。
工作原理：一般襯底和源極短接在一起，Vds加正電壓，Vgs=0時(shí)，PN結(jié)反偏，沒(méi)有電流，Vgs加正電壓，P襯底上方感應(yīng)出負(fù)電荷， 與P襯底的多子（空穴）極性相反，被稱為反型層，并把漏源極N型區(qū)連接起來(lái)形成導(dǎo)電溝道，當(dāng)Vgs比較小時(shí)，負(fù)電荷與空穴中和，仍無(wú)法導(dǎo)電，當(dāng)Vgs超過(guò)導(dǎo)通閾值后，感應(yīng)的負(fù)電荷把N型區(qū)連接起來(lái)形成N溝道，開(kāi)始導(dǎo)電。Vgs繼續(xù)增大，溝道擴(kuò)大電阻降低，從而電流增大
為改善器件性能，出現(xiàn)了VMOS、UMOS等多種結(jié)構(gòu)，基本原理都一樣。
IGBT是MOS和BJT的復(fù)合器件，到底是怎么復(fù)合的，往下看。從結(jié)構(gòu)上看，IGBT與功率MOS的結(jié)構(gòu)非常類似，在背面增加P+注入層（injection layer）。
得出IGBT的導(dǎo)電路徑：
由于上圖P阱與N-漂移區(qū)的PN結(jié)成反偏狀態(tài)，于是產(chǎn)生了JFET效應(yīng)，如下圖。
于是，在上述IGBT結(jié)構(gòu)中，電子流通方向的電阻可用下圖表示，結(jié)合上邊描述，一目了然。
為了減小上述電阻，并且提高柵極面積利用率，溝槽柵IGBT變成主流，作用效果如下圖。
此外，為了提升IGBT耐壓，減小拖尾電流，在N –漂移區(qū)、背面工藝（減薄和注入）上下了不少功夫：
N-區(qū)下的功夫包含以下幾種：
1、PT：以高濃度的P+直拉單晶硅為起始材料，先生長(zhǎng)一層摻雜濃度較高的N型緩沖層（N+buffer層），然后再繼續(xù)淀積輕摻雜的N-型外延層作為IGBT的漂移區(qū)，之后再在N-型外延層的表面形成P-base、N+ source作為元胞，最后根據(jù)需要減薄P型襯底。
2、NPT：采用輕摻雜N- 區(qū)熔單晶硅作為起始材料，先在硅面的正面制作元胞并用鈍化層保護(hù)好，之后再將硅片減薄到合適厚度。最后在減薄的硅片背面注入硼，形成P+ collector。
3、FS：以輕摻雜N- 區(qū)熔單晶硅作為起始材料，先在硅面的正面制作元胞并用鈍化層保護(hù)好，在硅片減薄之后，首先在硅片的背面注入磷，形成N+ 截止層, 最后注入硼，形成P+ collector。
要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之間的關(guān)系，就必須對(duì)這三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理有大致的了解。
雙極性晶體管，俗稱三極管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以PNP型BJT為例）如下圖所示。
BJT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號(hào)
雙極性即意味著器件內(nèi)部有空穴和電子兩種載流子參與導(dǎo)電，BJT既然叫雙極性晶體管，那其內(nèi)部也必然有空穴和載流子，理解這兩種載流子的運(yùn)動(dòng)是理解BJT工作原理的關(guān)鍵。
由于圖中 e（發(fā)射極）的P區(qū)空穴濃度要大于b（基極）的N區(qū)空穴濃度，因此會(huì)發(fā)生空穴的擴(kuò)散，即空穴從P區(qū)擴(kuò)散至N區(qū)。同理，e（發(fā)射極）的P區(qū)電子濃度要小于b（基極）的N區(qū)電子濃度，所以電子也會(huì)發(fā)生從N區(qū)到P區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。
這種運(yùn)動(dòng)最終會(huì)造成在發(fā)射結(jié)上出現(xiàn)一個(gè)從N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，即內(nèi)建電場(chǎng)。該電場(chǎng)會(huì)阻止P區(qū)空穴繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。倘若我們?cè)诎l(fā)射結(jié)添加一個(gè)正偏電壓（p正n負(fù)），來(lái)減弱內(nèi)建電場(chǎng)的作用，就能使得空穴能繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。
擴(kuò)散至N區(qū)的空穴一部分與N區(qū)的多數(shù)載流子——電子發(fā)生復(fù)合，另一部分在集電結(jié)反偏（p負(fù)n正）的條件下通過(guò)漂移抵達(dá)集電極，形成集電極電流。
值得注意的是，N區(qū)本身的電子在被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合之后，并不會(huì)出現(xiàn)N區(qū)電子不夠的情況，因?yàn)閎電極（基極）會(huì)提供源源不斷的電子以保證上述過(guò)程能夠持續(xù)進(jìn)行。這部分的理解對(duì)后面了解IGBT與BJT的關(guān)系有很大幫助。
金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱場(chǎng)效晶體管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以N-MOSFET為例）如下圖所示。
MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號(hào)
在P型半導(dǎo)體襯底上制作兩個(gè)N+區(qū)，一個(gè)稱為源區(qū)，一個(gè)稱為漏區(qū)。漏、源之間是橫向距離溝道區(qū)。在溝道區(qū)的表面上，有一層由熱氧化生成的氧化層作為介質(zhì)，稱為絕緣柵。在源區(qū)、漏區(qū)和絕緣柵上蒸發(fā)一層鋁作為引出電極，就是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。
MOSFET管是壓控器件，它的導(dǎo)通關(guān)斷受到柵極電壓的控制。我們從圖上觀察，發(fā)現(xiàn)N-MOSFET管的源極S和漏極D之間存在兩個(gè)背靠背的pn結(jié)，當(dāng)柵極-源極電壓VGS不加電壓時(shí)，不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓，總有一個(gè)pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，器件無(wú)法導(dǎo)通。
但如果VGS正向足夠大，此時(shí)柵極G和襯底p之間的絕緣層中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，方向從柵極指向襯底，電子在該電場(chǎng)的作用下聚集在柵氧下表面，形成一個(gè)N型薄層(一般為幾個(gè)nm)，連通左右兩個(gè)N+區(qū)，形成導(dǎo)通溝道，如圖中黃色區(qū)域所示。當(dāng)VDS＞0V時(shí)，N-MOSFET管導(dǎo)通，器件工作。
IGBT的結(jié)構(gòu)圖
IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號(hào)
黃色色塊表示IGBT導(dǎo)通時(shí)形成的溝道。首先看黃色虛線部分，細(xì)看之下是不是有一絲熟悉之感？
這部分結(jié)構(gòu)和工作原理實(shí)質(zhì)上和上述的N-MOSFET是一樣的。當(dāng)VGE>0V，VCE>0V時(shí)，IGBT表面同樣會(huì)形成溝道，電子從n區(qū)出發(fā)、流經(jīng)溝道區(qū)、注入n漂移區(qū)，n漂移區(qū)就類似于N-MOSFET的漏極。
藍(lán)色虛線部分同理于BJT結(jié)構(gòu)，流入n漂移區(qū)的電子為PNP晶體管的n區(qū)持續(xù)提供電子，這就保證了PNP晶體管的基極電流。我們給它外加正向偏壓VCE，使PNP正向?qū)ǎ琁GBT器件正常工作。
這就是定義中為什么說(shuō)IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件的原因。
此外，圖中我還標(biāo)了一個(gè)紅色部分，這部分在定義當(dāng)中沒(méi)有被提及的原因在于它實(shí)際上是個(gè)npnp的寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)是個(gè)不希望存在的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧纳чl管在一定的條件下會(huì)發(fā)生閂鎖，讓IGBT失去柵控能力，這樣IGBT將無(wú)法自行關(guān)斷，從而導(dǎo)致IGBT的損壞。
BJT出現(xiàn)在MOSFET之前，而MOSFET出現(xiàn)在IGBT之前，所以我們從中間者M(jìn)OSFET的出現(xiàn)來(lái)闡述三者的因果故事。
MOSFET的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)30年代初。德國(guó)科學(xué)家Lilienfeld于1930年提出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管概念吸引了許多該領(lǐng)域科學(xué)家的興趣，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Bardeem和Brattain在1947年的一次場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)明嘗試中，意外發(fā)明了電接觸雙極晶體管（BJT）。
兩年后，同樣來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室的Shockley用少子注入理論闡明了BJT的工作原理，并提出了可實(shí)用化的結(jié)型晶體管概念。
發(fā)展到現(xiàn)在，MOSFET主要應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合如電腦功率電源、家用電器等，具有門極輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、電流關(guān)斷能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。
隨著下游應(yīng)用發(fā)展越來(lái)越快，MOSFET的電流能力顯然已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求。為了在保留MOSFET優(yōu)點(diǎn)的前提下降低器件的導(dǎo)通電阻，人們?cè)?jīng)嘗試通過(guò)提高M(jìn)OSFET襯底的摻雜濃度以降低導(dǎo)通電阻，但襯底摻雜的提高會(huì)降低器件的耐壓。這顯然不是理想的改進(jìn)辦法。
但是如果在MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入一個(gè)雙極型BJT結(jié)構(gòu)，就不僅能夠保留MOSFET原有優(yōu)點(diǎn)，還可以通過(guò)BJT結(jié)構(gòu)的少數(shù)載流子注入效應(yīng)對(duì)n漂移區(qū)的電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，從而有效降低n漂移區(qū)的電阻率，提高器件的電流能力。
經(jīng)過(guò)后續(xù)不斷的改進(jìn)，目前IGBT已經(jīng)能夠覆蓋從600V—6500V的電壓范圍，應(yīng)用涵蓋從工業(yè)電源、變頻器、新能源汽車、新能源發(fā)電到軌道交通、國(guó)家電網(wǎng)等一系列領(lǐng)域。IGBT憑借其高輸入阻抗、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)在龐大的功率器件世界中贏得了自己的一片領(lǐng)域。
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