MOS管、三極管、IGBT之间的因果关系 区别与联系最全解析

MOS管、三極管、IGBT之间的因果关系 区别与联系最全解析

大家都知道MOS管、三極管、IGBT的标准定义，但是很少有人详细地、系统地从这句话抽丝剥茧，一层一层地分析为什么定义里说IGBT是由BJT和MOS组成的，它们之间有什么区别和联系，在应用的时候，什么时候能选择IGBT、什么时候选择BJT、什么时候又选择MOSFET管。这些问题其实并非很难，你跟着我看下去，就能窥见其区别及联系。

MOS管、三極管、IGBT之间的关系

PN結：從PN結說起

PN結是半導體的基礎，摻雜是半導體的靈魂，先明確幾點：

1、P型和N型半导体： 本征半导体掺杂三价元素，根据高中学的化学键稳定性原理，会有 “空穴”容易导电，因此，这里空穴是“多子”即多数载流子，掺杂类型为P（positive）型；同理，掺杂五价元素，电子为“多子”，掺杂类型为N（negative）型。

2、載流子：導電介質，分爲多子和少子，概念很重要，後邊會引用

3、空穴”帶正電，電子帶負電，但摻雜後的半導體本身爲電中性

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，耗盡層的電場方向如圖所示：

（一）二極管

PN結正偏：PN結加正向電壓，如下圖

此時P區多子“空穴”在電場的作用下向N區運動，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克服耗盡層內電場，實現導電，該電壓一般爲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，多子在電場作用下運動使PN結加寬，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，此時少子在內外電場的作用下移動，並且耗盡層電場方向使少子更容易通過PN結，形成漏電流。得出重要結論，劃重點：反偏時，多數載流子截止，少數載流子很容易通過，並且比正偏時多數載流子通過PN結還要輕松。

（二）三極管

上邊說PN結反偏的時候，少數載流子可以輕易通過，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反向電流，通過往N區注入少子的方式，怎麽注入，在N區下再加一個P區，並且使新加的PN結正偏，如下：

上圖中，發射結正偏，空穴大量進入基區，他們在基區身份仍然是少數載流子的身份，此時，如前所述，這些注入的少數載流子很容易通過反偏的PN結——集電結，到達集電極，形成集電極電流Ic。

于是，我们课堂上背的三極管放大导通条件是<发射结正偏，集电结反偏>就非常容易理解了，上一张三極管的特性曲线。

这里涉及了饱和区的问题，三極管工作在饱和区时Vce很小，有人说饱和区条件是发射结正偏，集电结也正偏，这很容易让人误解；发射结正偏导通没问题，但集电结并没有达到正偏导通，若集电结正偏导通，就跟两个二极管放一起没区别；集电结的正偏电压阻碍基区少子向集电极漂移，正偏越厉害，少子向集电极运动越困难，即Ic越小，因此饱和状态下的Ic是小于放大状态下的βIb的，此时，管子呈现出很小的结电阻，即所谓的饱和导通。

（三）MOS管

MOS管結構原理：以N-MOS爲例，a：P型半導體做襯底；b：上邊擴散兩個N型區，c：覆蓋SiO2絕緣層；在N區上腐蝕兩個孔，然後金屬化的方法在絕緣層和兩個孔內做成三個電極：G（柵極）、D（漏極）、S（源極）。

工作原理：一般衬底和源极短接在一起，Vds加正电压，Vgs=0时，PN结反偏，没有电流，Vgs加正电压，P衬底上方感应出负电荷， 与P衬底的多子（空穴）极性相反，被称为反型层，并把漏源极N型区连接起来形成导电沟道，当Vgs比较小时，负电荷与空穴中和，仍无法导电，当Vgs超过导通阈值后，感应的负电荷把N型区连接起来形成N沟道，开始导电。Vgs继续增大，沟道扩大电阻降低，从而电流增大

爲改善器件性能，出現了VMOS、UMOS等多種結構，基本原理都一樣。

（四）IGBT

IGBT是MOS和BJT的复合器件，到底是怎么复合的，往下看。从结构上看，IGBT与功率MOS的结构非常类似，在背面增加P+注入层（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，于是産生了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。

爲了減小上述電阻，並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，为了提升IGBT耐压，减小拖尾电流，在N –漂移区、背面工艺（减薄和注入）上下了不少功夫：

N-區下的功夫包含以下幾種：

1、PT：以高浓度的P+直拉单晶硅为起始材料，先生长一层掺杂浓度较高的N型缓冲层（N+buffer层），然后再继续淀积轻掺杂的N-型外延层作为IGBT的漂移区，之后再在N-型外延层的表面形成P-base、N+ source作为元胞，最后根据需要减薄P型衬底。

2、NPT：采用轻掺杂N- 区熔单晶硅作为起始材料，先在硅面的正面制作元胞并用钝化层保护好，之后再将硅片减薄到合适厚度。最后在减薄的硅片背面注入硼，形成P+ collector。

3、FS：以轻掺杂N- 区熔单晶硅作为起始材料，先在硅面的正面制作元胞并用钝化层保护好，在硅片减薄之后，首先在硅片的背面注入磷，形成N+ 截止层, 最后注入硼，形成P+ collector。

三極管，MOSFET, IGBT的区别？
爲什麽說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件？

要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之間的關系，就必須對這三者的內部結構和工作原理有大致的了解。

BJT

双极性晶体管，俗称三極管。内部结构（以PNP型BJT为例）如下图所示。

BJT內部結構及符號

雙極性即意味著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是理解BJT工作原理的關鍵。

由于图中 e（发射极）的P区空穴浓度要大于b（基极）的N区空穴浓度，因此会发生空穴的扩散，即空穴从P区扩散至N区。同理，e（发射极）的P区电子浓度要小于b（基极）的N区电子浓度，所以电子也会发生从N区到P区的扩散运动。

這種運動最終會造成在發射結上出現一個從N區指向P區的電場，即內建電場。該電場會阻止P區空穴繼續向N區擴散。倘若我們在發射結添加一個正偏電壓（p正n負），來減弱內建電場的作用，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——電子發生複合，另一部分在集電結反偏（p負n正）的條件下通過漂移抵達集電極，形成集電極電流。

值得注意的是，N區本身的電子在被來自P區的空穴複合之後，並不會出現N區電子不夠的情況，因爲b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進行。這部分的理解對後面了解IGBT與BJT的關系有很大幫助。

MOSFET

金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，簡稱場效晶體管。內部結構（以N-MOSFET爲例）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N+區，一個稱爲源區，一個稱爲漏區。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爲介質，稱爲絕緣柵。在源區、漏區和絕緣柵上蒸發一層鋁作爲引出電極，就是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

MOSFET管是壓控器件，它的導通關斷受到柵極電壓的控制。我們從圖上觀察，發現N-MOSFET管的源極S和漏極D之間存在兩個背靠背的pn結，當柵極-源極電壓VGS不加電壓時，不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什麽極性的電壓，總有一個pn結處于反偏狀態，漏、源極間沒有導電溝道，器件無法導通。

但如果VGS正向足夠大，此時柵極G和襯底p之間的絕緣層中會産生一個電場，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(一般爲幾個nm)，連通左右兩個N+區，形成導通溝道，如圖中黃色區域所示。當VDS＞0V時，N-MOSFET管導通，器件工作。

IGBT

IGBT的結構圖

IGBT內部結構及符號

黃色色塊表示IGBT導通時形成的溝道。首先看黃色虛線部分，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質上和上述的N-MOSFET是一樣的。當VGE>0V，VCE>0V時，IGBT表面同樣會形成溝道，電子從n區出發、流經溝道區、注入n漂移區，n漂移區就類似于N-MOSFET的漏極。

藍色虛線部分同理于BJT結構，流入n漂移區的電子爲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。

這就是定義中爲什麽說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件的原因。

此外，圖中我還標了一個紅色部分，這部分在定義當中沒有被提及的原因在于它實際上是個npnp的寄生晶閘管結構，這種結構對IGBT來說是個不希望存在的結構，因爲寄生晶閘管在一定的條件下會發生闩鎖，讓IGBT失去柵控能力，這樣IGBT將無法自行關斷，從而導致IGBT的損壞。

IGBT和BJT、MOSFET之間的故事

BJT出現在MOSFET之前，而MOSFET出現在IGBT之前，所以我們從中間者MOSFET的出現來闡述三者的因果故事。

MOSFET的出现可以追溯到20世纪30年代初。德国科学家Lilienfeld于1930年提出的场效应晶体管概念吸引了许多该领域科学家的兴趣，贝尔实验室的Bardeem和Brattain在1947年的一次場效應管发明尝试中，意外发明了电接触双极晶体管（BJT）。

兩年後，同樣來自貝爾實驗室的Shockley用少子注入理論闡明了BJT的工作原理，並提出了可實用化的結型晶體管概念。

發展到現在，MOSFET主要應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、驅動功率小、電流關斷能力強、開關速度快、開關損耗小等優點。

隨著下遊應用發展越來越快，MOSFET的電流能力顯然已經不能滿足市場需求。爲了在保留MOSFET優點的前提下降低器件的導通電阻，人們曾經嘗試通過提高MOSFET襯底的摻雜濃度以降低導通電阻，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辦法。

但是如果在MOSFET結構的基礎上引入一個雙極型BJT結構，就不僅能夠保留MOSFET原有優點，還可以通過BJT結構的少數載流子注入效應對n漂移區的電導率進行調制，從而有效降低n漂移區的電阻率，提高器件的電流能力。

經過後續不斷的改進，目前IGBT已經能夠覆蓋從600V—6500V的電壓範圍，應用涵蓋從工業電源、變頻器、新能源汽車、新能源發電到軌道交通、國家電網等一系列領域。IGBT憑借其高輸入阻抗、驅動電路簡單、開關損耗小等優點在龐大的功率器件世界中贏得了自己的一片領域。