IGBT中的MOS结构—反型层论述

在“IGBT中的若干PN结”一章中我们提到，IGBT是由BJT（双极型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）所构成，BJT的结构和机理前面已经做了详细论述，下面我们来看看MOS，其截面如图所示，红色虚线框内。

注意，这里我们直接以最先进的沟槽栅IGBT中的MOS结构为例进行论述，MOS的发展历程中经历了不同的结构演变，包括平面型、V字型等，基本原理相似，但各有优缺点，在此不做对比，感兴趣的朋友可以另查阅文献了解。

IGBT中的MOS由N+、P-base、N-drift、N-buffer以及Poly（氧化硅包裹）组成，其中显然包含了一个寄生的三极管，由N+、p-base和N-buffer组成，工作中要尽量避免这个三极管工作，其原因在上一章中已做论述；此外还包含了一个寄生二极管，由P-base和N-drift组成。

MOS也是一个三端元器件，分别为N+对应的源极，N-buffer对应的漏极，以及Poly对应的栅极。

当给栅极施加正电压，当电压增大到一定程度，靠近栅极的局域P-base会发生反型（阴影部分），变成N型，使得N+区域与N-drift区域连通，MOS导通。所以，与BJT不同，MOS是一个电压控制性器件。下面简要分析一下，反型层的形成机制。

回顾一下P型和N型的定义，是根据半导体能带与费米能级之间相对位置而来，所以，对于反型层的理解，我们也需要从能带的变化来着手分析。

从图中A到B的截面，分别为半导体层、氧化硅层和多晶硅层（栅极）。假设栅极上施加电压为，我们看看和三种情况下的能带变化。

1.

因为在温度确定的情况下，费米能级的位置是确定的，所以围绕费米能级，很容易画出MOS结构的能带图如下。（这里把多晶硅视为金属，且功函数与硅相同，这是与实际情况是有偏差的，后面再做分析）。

2.

栅极施加负电压，栅极及靠近栅极区域的能级电子被排斥，相当于电子占据导带能级的概率降低，即向真空电子能级方向远离费米能级。电子被排斥，相当于空穴被吸引，所以在半导体与绝缘层界面会形成一层空穴积累层。

3.

栅极施加正电压，但本征能级在费米能级以上。栅极及靠近栅极区域的能级电子被吸引，相当于电子占据导带能级的概率升高，即向费米能级靠近。

4.

栅极施加正电压增大，使得本征能级依然达到费米能级以下。定义=所对应的电压为（Threshold Voltage，阈值电压）。半导体表面附近的费米能级更加靠近导带，P型半导体即反型为N型半导体。