PN結(jié)：從PN結(jié)說起

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，耗盡層的電場方向如圖所示：

(一)二極管

PN結(jié)正偏：PN結(jié)加正向電壓，如下圖：

此時P區(qū)多子“空穴”在電場的作用下向N區(qū)運(yùn)動，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克服耗盡層內(nèi)電場，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?/p>

PN結(jié)反偏：PN結(jié)加反向電壓，如下圖：

反偏時，多子在電場作用下運(yùn)動使PN結(jié)加寬，電流不能通過，反向截止;二極管反向截止的原理就是這樣。但是，此時少子在內(nèi)外電場的作用下移動，并且耗盡層電場方向使少子更容易通過PN結(jié)，形成漏電流。得出重要結(jié)論，劃重點(diǎn)：反偏時，多數(shù)載流子截止，少數(shù)載流子很容易通過，并且比正偏時多數(shù)載流子通過PN結(jié)還要輕松。

(二)三極管

上邊說PN結(jié)反偏的時候，少數(shù)載流子可以輕易通過，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)在我們就控制這個反向電流，通過往N區(qū)注入少子的方式，怎么注入，在N區(qū)下再加一個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)，他們在基區(qū)身份仍然是少數(shù)載流子的身份，此時，如前所述，這些注入的少數(shù)載流子很容易通過反偏的PN結(jié)——集電結(jié)，到達(dá)集電極，形成集電極電流Ic。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)的問題，三極管工作在飽和區(qū)時Vce很小，有人說飽和區(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)通沒問題，但集電結(jié)并沒有達(dá)到正偏導(dǎo)通，若集電結(jié)正偏導(dǎo)通，就跟兩個二極管放一起沒區(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，管子呈現(xiàn)出很小的結(jié)電阻，即所謂的飽和導(dǎo)通。

(三)MOS管

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N型區(qū)，c：覆蓋SiO2絕緣層;在N區(qū)上腐蝕兩個孔，然后金屬化的方法在絕緣層和兩個孔內(nèi)做成三個電極：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，PN結(jié)反偏，沒有電流，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)連接起來形成導(dǎo)電溝道，當(dāng)Vgs比較小時，負(fù)電荷與空穴中和，仍無法導(dǎo)電，當(dāng)Vgs超過導(dǎo)通閾值后，感應(yīng)的負(fù)電荷把N型區(qū)連接起來形成N溝道，開始導(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。

(四)IGBT

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(injectionlayer)。

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。

三極管，MOSFET，IGBT的區(qū)別?為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件?要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之間的關(guān)系，就必須對這三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理有大致的了解。

BJT

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

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，所以電子也會發(fā)生從N區(qū)到P區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動。

這種運(yùn)動最終會造成在發(fā)射結(jié)上出現(xiàn)一個從N區(qū)指向P區(qū)的電場，即內(nèi)建電場。該電場會阻止P區(qū)空穴繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。倘若我們在發(fā)射結(jié)添加一個正偏電壓(p正n負(fù))，來減弱內(nèi)建電場的作用，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)本身的電子在被來自P區(qū)的空穴復(fù)合之后，并不會出現(xiàn)N區(qū)電子不夠的情況，因?yàn)閎電極(基極)會提供源源不斷的電子以保證上述過程能夠持續(xù)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。

MOSFET

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱場效晶體管。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

在P型半導(dǎo)體襯底上制作兩個N+區(qū)，一個稱為源區(qū)，一個稱為漏區(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之間存在兩個背靠背的pn結(jié)，當(dāng)柵極-源極電壓VGS不加電壓時，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pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒有導(dǎo)電溝道，器件無法導(dǎo)通。

但如果VGS正向足夠大，此時柵極G和襯底p之間的絕緣層中會產(chǎn)生一個電場，方向從柵極指向襯底，電子在該電場的作用下聚集在柵氧下表面，形成一個N型薄層(一般為幾個nm)，連通左右兩個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，N-MOSFET管導(dǎo)通，器件工作。

IGBT

IGBT的結(jié)構(gòu)圖

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號

黃色色塊表示IGBT導(dǎo)通時形成的溝道。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，IGBT表面同樣會形成溝道，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IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件的原因。此外，標(biāo)注紅色部分，這部分在定義當(dāng)中沒有被提及的原因在于它實(shí)際上是個npnp的寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對IGBT來說是個不希望存在的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧纳чl管在一定的條件下會發(fā)生閂鎖，讓IGBT失去柵控能力，這樣IGBT將無法自行關(guān)斷，從而導(dǎo)致IGBT的損壞。

IGBT和BJT、MOSFET之間的聯(lián)系

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)來闡述三者的因果關(guān)系。MOSFET的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)30年代初。德國科學(xué)家Lilienfeld于1930年提出的場效應(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)動功率小、電流關(guān)斷能力強(qiáng)、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。隨著下游應(yīng)用發(fā)展越來越快，MOSFET的電流能力顯然已經(jīng)不能滿足市場需求。為了在保留MOSFET優(yōu)點(diǎn)的前提下降低器件的導(dǎo)通電阻，人們曾經(jīng)嘗試通過提高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BJT結(jié)構(gòu)的少數(shù)載流子注入效應(yīng)對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、國家電網(wǎng)等一系列領(lǐng)域。

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