功率半导体 | MOS 晶体管、 功率型 MOSFET、IGBT的基本原理

一、MOS 晶体管的基本原理

概述 MOS 晶体管的基本原理。同样也会围绕开关功能来描述。

什么是 MOS 晶体管

MOS 晶体管中，载流子要么是电子，要么是空穴，只能二选一，因此也可以把它叫作单极型晶体管。单极型的英文单词写作Unipolar(“uni-”是单一的意思)，用来与 Bi-polar 进行区分，不过一般并不使用这个名字。器件是在施加电压、建立电场之后发生作用的，所以叫作场效应晶体管(FieldEfectTransistor，简称FET)。关于FET，后面还会进行解释。

所以MOS晶体管，全称应该叫作“金属氧化物半导体场效应晶体管"，写作MOSFET，后面很多地方会使用 MOSFET这个名字。

必须强调的是，这是一种用电压来控制开关的器件，不同于用电流来控制开关的双极型晶体管。

MOS 晶体管中各部分的作用

常常有人把 MOS 晶体管比作水闸。其实MOS晶体管中各部分都可以和水闸的例子进行类比。

下图中，MOS晶体管的源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate).三个极可以分别理解为蓄水池、排水口和闸门。当MOS晶体管处于on 状态的时候，就是通过控制栅极的电压，打开沟道，使源极的载流子送到漏极。这就类似打开水闸，使蓄水池的水通过闸门流到排水口。当然，结合实际生产情况，水必须先流过并灌满水田，才会到达排水口。

在这种情况下，水的量就好比电的量。在高速型 MOSFET中，要求能够快速开关，就好像小型水田中，闸门都比较小，而且是用轻巧的材料制造的。而在功率型MOSFET中要求的是大电流，也就要求水流的渠道很宽，闸门也要更大更厚重。

MOS 晶体管开关的原理

在 MOS 晶体管中，依靠电压来控制开关状态，关键是中间的栅极施加在金属栅极上的电压，通过绝缘薄膜(薄膜电容)，引起下层半导体中电荷分布的变化。半导体中的电荷分布改变，就在栅极下方形成了一个沟道(Channel，英文中也有海峡的意思)来作为载流子的通道，也叫作反型层。这时就相当于水闸打开，留出缝隙允许水流通过。当把栅极电压取消，反型层就会消失，闸口关闭。利用这个原理，就可以通过控制栅极的电压(简称“栅压”)来控制 MOS 晶体管的开关状态了。如下图：

这个例子其实是一个N沟道的晶体管，可以称为N沟道MOS晶体管，简称NMOS。所谓N沟道，是由N型的源极和漏极，夹住P型区域(沟道所在的区域)而构成的。与之相反的就是P沟道MOS型晶体管，简称PMOS。后面会介绍CMOS，就是将这两种 MOS 器件巧妙地结合在一起进行应用。

二、功率半导体的历史回顾

到这里为止，我们来回顾一下功率半导体的发展历史吧。

功率半导体的起源

晶体管是威廉·肖克莱于1947年发明的。第一个晶体管是使用锗单晶制作而成的点接触型晶体管。限于篇幅，更多内容此处不便展开。之前也说过，后来随着硅替代了锗成为半导体器件的主要材料，半导体产业的发展得到了迅速提升。半导体这种电子器件被应用于电力控制，因此在1973年左右，有了PowerElectronics(电力电子器件，或功率电子器件)这种说法。Electronics是指能控制电子的器件。在笔者的学生时代，把传信号电称为弱电;与之相对，把动力电(能量)称为强电。

很久之前，人们是用半导体、晶体管这样的称呼来统称所有的半导体器件的。笔者进人这个行业时所学习的人门书籍中，也是这样的说法。但记得很清楚的是，功率型MOSFET的说法，是从1960年开始使用的。笔者推测，自从1971年英特尔公司的1kbitDRAM 上市后，开始出现LSI这个词，半导体器件才开始出现各种各样的类别细分，直到变成现在这个样子。

顺便一提，LSI是大规模集成电路的意思，是英文Large Scaled Integration Circuit 的缩写。在此之前都是用的IC(Integrated Circuit 的缩写)，也是集成电路的意思。现在的人不怎么用IC 这个说法了，但在20世纪80年代前期还是用得很多的。所谓集成电路，就是把晶体管、二极管之类的有源元件，还有电阻、电容之类的无源元件，集成在同一个载体上而形成的。

之后，功率半导体随着开发和改良，不断进步，出现了很多器件类型，比如后面将要提到的 IGBT。半导体整个发展历史都在下图做了总结。

如前面的章节所说，功率半导体的主要功能是电力转换。在号称能源社会的21世纪功率半导体就显得越发重要。前面也提到过，电信号分为直流(DC:DirectCurrent)和交流(AC:AltermatingCurrent)两种类型。一般用于电力传输的信号是交流信号，因为这样传输效率比较高。如果采用直流输电，由于电阻很大，会有很大的电力损耗(Loss)。交流转直流、直流转交流的装置是必不可少的，其中都少不了功率半导体的应用。

从水银整流器到硅控整流器

把交流信号转为直流信号，这个过程叫作整流。在功率半导体登场以前，担任整流任务的都是水银整流器。但是水银整流器是依靠真空中水银的放电现象来工作的，受到诸多制约，可靠性也很有问题。后来解决这个难题的是晶闸管/可控硅(Thyristor)。1956年GE会公司发明并推出了SCR(Silicon-Controlled Rectifer，硅控整流器)，1963 年正式命名为 Thyristor。其工作原理将后面介绍。

之后，硅单晶的纯度越来越高，耐压性、电流强度等性能也在不断改善，于是功率半导体逐渐在半导体产业中占有一席之地。随着用途变得更为广泛，要求功率半导体能够承受更高的电压，这对硅单晶的品质提出越来越高的要求，而大电流化也要求更大尺寸的硅晶圆。关于硅单晶和晶圆制造的知识，都将在后面介绍。这些问题解决之后，功率半导体广泛应用的时代就开始了。如今，功率半导体也还在不断谋求性能的提升，后面将详细介绍。

水银整流器是在 20 世纪 60 年代后期才退出市场的，最后还在使用它的是电力机车。

硅材料以及其他新型材料

功率半导体的基础材料，现在依然是以硅材料为主流。但是作为未来发展趋势，有人正在尝试脱离硅，甚至有人提出了 Beyond Silicon(超越硅)的目标。碳化硅和氮化镓的性能都远远强于硅，它们的时代正在到来。另一方面，在先进大规模集成电路(LSI)的领域里，人们也早就提出了脱离摩尔定律的口号。无论是功率半导体还是LSI，业界的呼声都预示着以往的范式必须被颠覆。功率半导体的前途，极大地依赖于材料的创新，而根本性的创新一定要从半导体产业的最上游人手，才能清楚地找到自己的发展道路。关于新型材料的内容，将在后面详细介绍。

三、功率型 MOSFET 的登场

功率型 MOSFET中的“功率型”表示属于功率半导体，与LSI中的MOSFET进行区分。FET是Field Efect Transistor的缩写，意思是场效应晶体管。

更快的开关特性

功率半导体从20世纪50年代登场以来，随着双极型晶体管的广泛应用，一度进人了全盛期。但存在的问题也很多，其中之一是对器件的开关速度提出了更高的要求，而双极型晶体管在高速化方面的确是存在局限的。原因是由于双极型晶体管同时使用电子和空穴两种载流子，并以电流来控制开关，所以一般来说速度会比较慢。为了解决这一难题，场效应晶体管(FET:Field EfectTransistor)，也就是如今的功率型 MOSFET 登场了。

MOSFET 概念的历史

其实场效应晶体管的雏形很早就出现了。早在 1930年，德国莱比锡大学的J·利连费尔德提出了最早的模型，并申请了专利。在他之后，同样因发明晶体管而出名的，是威廉·肖克菜，他在 1947年第一次尝试用锗晶体制作出点接触型场效应晶体管。1964年祖里格和泰格奈尔分别提出了功率型 MOSFET的概念，也就是如今的功率半导体。由此看来，场效应晶体管的确是历史悠久。

此外还有结型场效应晶体管(JFET，J=juncton，结合的意思)，与MOSFET一样属于FET 的范畴。JFET现在几乎已经不再使用，也就不再提及。

双极型晶体管和 MOSFET的比较

双极型晶体管(Bipolar Transistor)和 MOSFET的区别，请看下图。图中说明了主要的区别，但是对细节做了省略。双极型晶体管中，有发射极、基极、集电极三个电极，对两个 PN结施加不同的偏压，从而控制其中的载流子流动。电流的开关状态，是由基极电流来控制的，所以是一种用电流来控制开关状态的器件。

另一方面，MOSFET有源极、漏极、栅极三个电极，上图中是P沟道 MOSFET器件，对栅极施加电压后，源极和漏极两个N型区域之间的P型区域发生反型(部分P型区域暂时反转为N型区域)，形成允许电子流过的N沟道(Channel)，只要源极和漏极之间存在偏压，就会有电流流过。

所以对比起来，双极型晶体管是电流控制器件，MOSFET是电压控制器件，这是两者在工作原理上的根本区别。双极型晶体管中有电流从基极流过，并控制着器件的开关状态。在 MOSFET中，向栅极施加栅压并超过阈值电压时，器件导通，反之则器件截止，但无论如何，栅极上只会有电压，而不会有电流。因此控制 MOSFET几乎不需要消耗电能非常节能，这是很大的优点。

另外，上图中，双极型晶体管和 MOSFET的N型区域和P型区域的配置方式也是不一样的。前者是PNP的组合方式，后者是两个N型区域，在中间的P型区域中形成N沟道。后续章节中还会继续讨论两种器件的区别。

四、双极型晶体管与 MOSFET 的结合--IGBT 的登场

这里我们简单回顾一下历史，看看IGBT是如何作为功率半导体领域的新星而登场的，以及它有什么特点。

IGBT 登场之前

双极型晶体管、功率型 MOSFET曾经是功率半导体的主打阵容。双极型晶体管比较能够耐高电压，但速度难以提高。而 MOSFET 具有一定的高速化的潜力，但是在器件构造还有耐压性上都存在困难。随着功率半导体应用范围的持续拓展，对耐压和高速开关的性能需求也日益紧迫。一定程度上，耐压和高速开关两种性能是互相矛盾的，也是个两难的命题。单纯地改进这两种器件的任何一种，都无法得到好的结果。但是IGBT的登场改变了这个情况。

IGBT 的特征

IGBT是 Insulated Gate Bipolar Transistor的简称，译为绝缘栅双极型晶体管。从名字上理解，是否就是一种带有绝缘栅的双极型晶体管呢?实际上，它与我们所了解的双极型晶体管和功率型 MOSFET 都不太一样。

简单来说，IGBT就是在PNP双极型晶体管上附加N沟道增强型MOSFET所形成的器件。可能有读者还不懂什么是N沟道增强型 MOSFET，这个我们将在后面介绍。下图展示了 IGBT的结构示意图。图画得非常简略，目的只是为了让读者了解:IGBT是“结合了双极型晶体管和功率型 MOSFET 双方优点”的一种器件。上方的MOSFET结构起到开关的作用，导通后允许电流纵向流动(沿着下方PNP型双极型晶体管的方向)，并且电流值很大，符合功率器件的要求。这里所谓的纵向流动，其实是指电流在晶圆的厚度方向流动，就像功率型 MOSFET那样。从晶圆平面来看，开关是在水平方向起作用的，而电流是向晶圆垂直方向流动的。

IGBT 的设计结合了双极型晶体管和功率型MOSFET双方的优点。其中，MOSFET部分贡献了高速的开关性能，双极型部分贡献了大电流和耐压性能。与之类似，大规模集成电路(LSI)中也有集双极型晶体管和CMOS各自优点而成的BiCMOS器件，所以IGBT也可以理解成功率半导体版的 BiCMOS 吧。

如上图所示，IGBT是20世纪80年代出现的，具有高速度、大功率的优点，因此一上市就大受欢迎。例如，用二极管、滤波电容等将交流信号整流成直流信号后，如果需要再变成交流信号，就需要逆变器，IGBT由于其高速性，可以用来制造高速逆变器。第4章将会提到丰田的混合动力汽车(Hybrid Vehicle)，还有新干线的N700系列车，都使用了IGBT 器件。

五、信号转换

这里简单介绍一下大规模集成电路(LSI)中是如何利用 MOSFET 进行信号转换的，希望能让读者对半导体知识有更广泛的了解。

什么是信号转换

我们曾经说过，功率半导体是实现电力转换的器件。与之相对的，数字电路作为目前LSI中的主要代表，就是实现信号转换的电路。这里我们将介绍数字电路的基本门电路，以及反相器(Inverter)的概念。基本门电路，是用来实现数字信号转换的基本器件。Inverter这个词，在功率半导体中我们也见到过了，当时说它是将直流电转换为交流电的逆变器。但在数字电路中，同样是Inverter，实现的功能却是0和1的转换。

下面笔者就以自己的方式，对信号转换这个概念做一个介绍。

在数字电路中，使用二进制来计数。读者熟悉的十进制计数法中，是用0、1、2.3……9这十个数字来计数的。但在二进制计数法中，只有0和1两个数字，然后用0、1、10、11、100……这样的方式来进行计数。

数字电路中，电压不再有具体数值，而是只有高(High)和低(Low)两个相对状态。二进制就是用1和0分别来表示“高”和“低”这两个状态，非常简单明了。两个状态会互相转换，在数字电路中，实现这种转换的器件就叫作反相器(Inverter)，或是逻辑非门，简称非门。

请看下图，这里展示的是一个反相器的基本功能(a)、电路符号(b)，还附上了真值表(c)供读者参考。

我们来看看典型的 CMOS 反相器的工作原理。

首先，所谓CMOS 就是 Complementary MOS 的简称，意思是互补型 MOS。看下图的左图就可以知道，CMOS是由一个N型MOSFET和一个P型MOSFET构成，将它们的栅极对栅极、漏极对漏极连接在一起，就构成了CMOS器件。栅极是信号输人端，漏极是信号输出端。

然后将P型MOSFET的源极与电源(Vdd)相连，将型MOSFET的源极与地线(CND)相连。数字电路中，电源就相当于二进制的1，地线就相当于二进制的0。将N型MOSFET(以后简称NMOS)和P型MOSFET(以后简称PMOS)的栅极对栅极连接在一起作为整个器件的输入极(in)，漏极对漏极连接在一起作为整个器件的输出极(out)就可以实现反相器的作用了:

当在输入极(in)输入1(即高电压)时，只有NMOS导通，而PMOS是保持截止的(这里限于篇幅，具体原理不做解释)。相对应的，地线通过导通的NMOS与输出极(out)相连，于是就输出0的信号，与输人信号1正好相反。与之相反，当在输人极输入0时只有 PMOS 导通，而NMOS截止。于是，电源(Vdd)通过PMOS与out相连，输出1的信号，也与输人信号相反。

简而言之，CMOS的out信号总是与in信号相反，实现了信号的反向，这就是CMOS反相器的基本原理。

以上就是“Imverter”这个概念在功率半导体和大规模集成电路中的区别。针对同一个概念或事物，把它在功率半导体和大规模集成电路(后文都简称集成电路或 LSI)这两个不同领域中的相同点和不同点列举出来，从而更加认识功率半导体的特点。

功率半导体和大规模集成电路在制造工艺上的区别，将在后面讨论。另外，文中提到载流子的时候，在不同的例子中具体是指电子还是空穴，为方便读者记忆，只需记住:在NMOS中载流子就是电子，在 PMOS 中载流子就是空穴。

参考文献：

(客服电话4001021226)

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