MOS管、三極管、IGBT之間的因果關(guān)系 區別與聯(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的標準定義，但是很少有人詳細地、系統地從這句話(huà)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，它們之間有什么區別和聯(lián)系，在應用的時(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(zhù)我看下去，就能窺見(jiàn)其區別及聯(lián)系。
PN結：從PN結說(shuō)起
PN結是半導體的基礎，摻雜是半導體的靈魂，先明確幾點(diǎn)：
1、P型和N型半導體： 本征半導體摻雜三價(jià)元素，根據高中學(xué)的化學(xué)鍵穩定性原理，會(huì )有 “空穴”容易導電，因此，這里空穴是“多子”即多數載流子，摻雜類(lèi)型為P（positive）型；同理，摻雜五價(jià)元素，電子為“多子”，摻雜類(lèi)型為N（negative）型。
2、載流子：導電介質(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，電子帶負電，但摻雜后的半導體本身為電中性
4、P+和N+表示重度摻雜；P-和N-表示輕度摻雜
PN結原理如下圖，空穴和電子的擴散形成耗盡層，耗盡層的電場(chǎng)方向如圖所示：
PN結正偏：PN結加正向電壓，如下圖
此時(shí)P區多子“空穴”在電場(chǎng)的作用下向N區運動(dòng)，N區多子電子相反，使耗盡層變窄至消失，正向導電OK，也可以理解成外加電場(chǎng)克服耗盡層內電場(chǎng)，實(shí)現導電，該電壓一般為0.7V或0.3V。二極管正向導通的原理即是如此。
PN結反偏：PN結加反向電壓，如下圖：
反偏時(shí)，多子在電場(chǎng)作用下運動(dòng)使PN結加寬，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，形成漏電流。得出重要結論，劃重點(diǎn)：反偏時(shí)，多數載流子截止，少數載流子很容易通過(guò)，并且比正偏時(shí)多數載流子通過(guò)PN結還要輕松。
上邊說(shuō)PN結反偏的時(shí)候，少數載流子可以輕易通過(guò)，形成電流，正常情況小少子的數量極少，反向電流可忽略不計。
現在我們就控制這個(gè)反向電流，通過(guò)往N區注入少子的方式，怎么注入，在N區下再加一個(gè)P區，并且使新加的PN結正偏，如下：
上圖中，發(fā)射結正偏，空穴大量進(jìn)入基區，他們在基區身份仍然是少數載流子的身份，此時(shí)，如前所述，這些注入的少數載流子很容易通過(guò)反偏的PN結——集電結，到達集電極，形成集電極電流Ic。
于是，我們課堂上背的三極管放大導通條件是<發(fā)射結正偏，集電結反偏>就非常容易理解了，上一張三極管的特性曲線(xiàn)。
這里涉及了飽和區的問(wèn)題，三極管工作在飽和區時(shí)Vce很小，有人說(shuō)飽和區條件是發(fā)射結正偏，集電結也正偏，這很容易讓人誤解；發(fā)射結正偏導通沒(méi)問(wèn)題，但集電結并沒(méi)有達到正偏導通，若集電結正偏導通，就跟兩個(gè)二極管放一起沒(méi)區別；集電結的正偏電壓阻礙基區少子向集電極漂移，正偏越厲害，少子向集電極運動(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)，管子呈現出很小的結電阻，即所謂的飽和導通。
MOS管結構原理：以N-MOS為例，a：P型半導體做襯底；b：上邊擴散兩個(gè)N型區，c：覆蓋SiO2絕緣層；在N區上腐蝕兩個(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結反偏，沒(méi)有電流，Vgs加正電壓，P襯底上方感應出負電荷， 與P襯底的多子（空穴）極性相反，被稱(chēng)為反型層，并把漏源極N型區連接起來(lái)形成導電溝道，當Vgs比較小時(shí)，負電荷與空穴中和，仍無(wú)法導電，當Vgs超過(guò)導通閾值后，感應的負電荷把N型區連接起來(lái)形成N溝道，開(kāi)始導電。Vgs繼續增大，溝道擴大電阻降低，從而電流增大
為改善器件性能，出現了VMOS、UMOS等多種結構，基本原理都一樣。
IGBT是MOS和BJT的復合器件，到底是怎么復合的，往下看。從結構上看，IGBT與功率MOS的結構非常類(lèi)似，在背面增加P+注入層（injection layer）。
得出IGBT的導電路徑：
由于上圖P阱與N-漂移區的PN結成反偏狀態(tài)，于是產(chǎn)生了JFET效應，如下圖。
于是，在上述IGBT結構中，電子流通方向的電阻可用下圖表示，結合上邊描述，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、背面工藝（減薄和注入）上下了不少功夫：
N-區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(cháng)一層摻雜濃度較高的N型緩沖層（N+buffer層），然后再繼續淀積輕摻雜的N-型外延層作為IGBT的漂移區，之后再在N-型外延層的表面形成P-base、N+ source作為元胞，最后根據需要減薄P型襯底。
2、NPT：采用輕摻雜N- 區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，就必須對這三者的內部結構和工作原理有大致的了解。
雙極性晶體管，俗稱(chēng)三極管。內部結構（以PNP型BJT為例）如下圖所示。
BJT內部結構及符號
雙極性即意味著(zhù)器件內部有空穴和電子兩種載流子參與導電，BJT既然叫雙極性晶體管，那其內部也必然有空穴和載流子，理解這兩種載流子的運動(dòng)是理解BJT工作原理的關(guān)鍵。
由于圖中 e（發(fā)射極）的P區空穴濃度要大于b（基極）的N區空穴濃度，因此會(huì )發(fā)生空穴的擴散，即空穴從P區擴散至N區。同理，e（發(fā)射極）的P區電子濃度要小于b（基極）的N區電子濃度，所以電子也會(huì )發(fā)生從N區到P區的擴散運動(dòng)。
這種運動(dòng)最終會(huì )造成在發(fā)射結上出現一個(gè)從N區指向P區的電場(chǎng)，即內建電場(chǎng)。該電場(chǎng)會(huì )阻止P區空穴繼續向N區擴散。倘若我們在發(fā)射結添加一個(gè)正偏電壓（p正n負），來(lái)減弱內建電場(chǎng)的作用，就能使得空穴能繼續向N區擴散。
擴散至N區的空穴一部分與N區的多數載流子——電子發(fā)生復合，另一部分在集電結反偏（p負n正）的條件下通過(guò)漂移抵達集電極，形成集電極電流。
值得注意的是，N區本身的電子在被來(lái)自P區的空穴復合之后，并不會(huì )出現N區電子不夠的情況，因為b電極（基極）會(huì )提供源源不斷的電子以保證上述過(guò)程能夠持續進(jìn)行。這部分的理解對后面了解IGBT與BJT的關(guān)系有很大幫助。
金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效晶體管。內部結構（以N-MOSFET為例）如下圖所示。
MOSFET內部結構及符號
在P型半導體襯底上制作兩個(gè)N+區，一個(gè)稱(chēng)為源區，一個(gè)稱(chēng)為漏區。漏、源之間是橫向距離溝道區。在溝道區的表面上，有一層由熱氧化生成的氧化層作為介質(zhì)，稱(chēng)為絕緣柵。在源區、漏區和絕緣柵上蒸發(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，它的導通關(guān)斷受到柵極電壓的控制。我們從圖上觀(guān)察，發(fā)現N-MOSFET管的源極S和漏極D之間存在兩個(gè)背靠背的pn結，當柵極-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結處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒(méi)有導電溝道，器件無(wú)法導通。
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，形成導通溝道，如圖中黃色區域所示。當VDS＞0V時(shí)，N-MOSFET管導通，器件工作。
IGBT的結構圖
IGBT內部結構及符號
黃色色塊表示IGBT導通時(shí)形成的溝道。首先看黃色虛線(xiàn)部分，細看之下是不是有一絲熟悉之感？
這部分結構和工作原理實(shí)質(zhì)上和上述的N-MOSFET是一樣的。當VGE>0V，VCE>0V時(shí)，IGBT表面同樣會(huì )形成溝道，電子從n區出發(fā)、流經(jīng)溝道區、注入n漂移區，n漂移區就類(lèi)似于N-MOSFET的漏極。
藍色虛線(xiàn)部分同理于BJT結構，流入n漂移區的電子為PNP晶體管的n區持續提供電子，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正向導通，IGBT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，圖中我還標了一個(gè)紅色部分，這部分在定義當中沒(méi)有被提及的原因在于它實(shí)際上是個(gè)npnp的寄生晶閘管結構，這種結構對IGBT來(lái)說(shuō)是個(gè)不希望存在的結構，因為寄生晶閘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，從而導致IGBT的損壞。
BJT出現在MOSFET之前，而MOSFET出現在IGBT之前，所以我們從中間者M(jìn)OSFET的出現來(lái)闡述三者的因果故事。
MOSFET的出現可以追溯到20世紀30年代初。德國科學(xué)家Lilienfeld于1930年提出的場(chǎng)效應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)驗室的Bardeem和Brattain在1947年的一次場(chǎng)效應管發(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)用化的結型晶體管概念。
發(fā)展到現在，MOSFET主要應用于中小功率場(chǎng)合如電腦功率電源、家用電器等，具有門(mén)極輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小、電流關(guān)斷能力強、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。
隨著(zhù)下游應用發(fā)展越來(lái)越快，MOSFET的電流能力顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)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通電阻，人們曾經(jīng)嘗試通過(guò)提高M(jìn)OSFET襯底的摻雜濃度以降低導通電阻，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結構的基礎上引入一個(gè)雙極型BJT結構，就不僅能夠保留MOSFET原有優(yōu)點(diǎn)，還可以通過(guò)BJT結構的少數載流子注入效應對n漂移區的電導率進(jìn)行調制，從而有效降低n漂移區的電阻率，提高器件的電流能力。
經(jīng)過(guò)后續不斷的改進(jìn)，目前IGBT已經(jīng)能夠覆蓋從600V—6500V的電壓范圍，應用涵蓋從工業(yè)電源、變頻器、新能源汽車(chē)、新能源發(fā)電到軌道交通、國家電網(wǎng)等一系列領(lǐng)域。IGBT憑借其高輸入阻抗、驅動(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(yíng)得了自己的一片領(lǐng)域。
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