作者简介
关艳霞,沈阳工业大学副教授
● 主持国家自然科学基金子课题3项。主持辽宁省教育厅科学研究项目1项。
●发表论文30余篇,其中SCI检索4篇。
●辽宁省一流课程《微电子器件原理》《功率半导体器件》课程负责人
●辽宁省精品资源共享课《固体电子器件》的课程负责人
●《先进功率整流器原理、特性及应用》B.J.Baliga(第一译者)
●《功率半导体器件》第一作者
●B站“光彩为霞”UP主,在线课程《功率半导体器件》和《微电子器件》
01
晶体管今生前世
在电力电子行业中,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)无疑是广为人知的明星器件。然而,当我们面对基于GaN(氮化镓)材料的HEMT(高电子迁移率晶体管)技术时,可能会感到些许陌生。为了更全面地了解这一领域,让我们对晶体管家族的谱系进行一次详尽的梳理,如图1所示,这样我们能更清晰地把握它们之间的关系与差异。
1947年,W. Shockley,J. Bardeen,W. Bratten三人在单晶锗上研制成功了第一支双极晶体管,取名:transistor。顾名思义,该器件有“跨阻”的含义,即一端的电压对另一端的电流有控制作用。经典著作《半导体器件物理学》作者施敏先生称这类器件为PET(势效应晶体管)。
1960年,第一支MOSFET诞生了,发明人是D. Kahng和M. Atalla。与双极晶体管相比,MOSFET更适合大规模集成电路的开发。经过几十年的繁衍,晶体管家族“人丁兴旺”,尤其是FET(场效应晶体管)一族。从栅极的构成划分,FET可分为IGFET(绝缘栅极场效应晶体管)、JFET(结型门极场效应晶体管)和MESFET(肖特基场效应晶体管)。
第一只绝缘栅极场效应晶体管IGFET是采用二氧化硅绝缘层的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor),但今天的IGFET不仅仅是MOSFET了,二氧化硅绝缘层可以用其他的介电系数更高的绝缘层替代(MISFET),也可以用宽禁带半导体材料替代(HFET,异质结场效应晶体管)。
宽禁带半导体可以是掺杂的,即MODFET/HEMT,也可以是不掺杂的,即HIGFET。如果栅极是由PN结构成的,那便是JFET(结型场效应晶体管)。如果栅极是由肖特基构成,那便是MESFET。
图1 晶体管家族谱系
注解(1):在施敏著,半导体器件物理第三版225页,施敏教授称BJT为PET(the potential-effect transistor,势效应晶体管)
尽管晶体管家族成员不断增加,结构不尽相同,但其核心功能都是——transistor(“跨阻”),也可称“跨导”。下面以BJT、MOSFET和IGBT为例,一语道破实现“跨阻”的天机——晶体管家族的核心工作机制。
02
BJT——
由“滑梯”实现transistor功能
BJT的结构和符号如图2所示,有npn和pnp两种结构。中间部分称为基区,所连电极称为基极,用b表示(base);一侧称为发射区,所引电极称为发射极,用e表示(emitter);另一侧称为集电区和集电极,用c表示(collector)。e-b间的pn结称为发射结(Je),c-b间的pn结称为集电结(Jc)。之所以隆重地介绍双极晶体管的结构以及称呼,是因为这些构件的功能是:闻其名,知其性。
图2 BJT的结构与符号
发射结Je和集电结Jc,在晶体管电流传输中,分别发射载流子和收集载流子。工作原理示意图如图3所示。发射结Je在输入端电压VBE的作用下,发挥正偏PN结“泵”的注入功能,将发射区的多数载流子注入到基区,注入到基区的载流子凭借扩散运动(缓变基区晶体管也做漂移运动),流向集电结Jc,被集电结Jc收集,形成集电极电流Ic。集电极电流的大小取决于基区的电流输运能力,基区的电流输运能力取决于基区的少子浓度梯度(见图3中的斜线),基区少子的浓度梯度取决于Je的注入能力,而Je的注入能力取决于VBE的大小,于是BJT的VBE通过控制基区的少子浓度梯度,控制着集电极电流Ic,实现了跨导功能。
图3 BJT工作原理示意图
一言以蔽之:BJT的核心工作机制是:输入电压(VBE)在基区所搭建的载流子“滑梯”使发射结发射的载流子传输到集电结Jc,被其收集形成集电极电流Ic,实现了transistor(跨阻)功能。
由图1可知,晶体管家族分为PET和FET两大分支。对于FET来说,无论是结构,还是工作机理都与PET不同,但FET家族中的器件,尽管结构也有所不同,但工作原理相近,下面以MOSFET为例,道破FET家族的核心工作机制。
03
MOSFET——
由栅控门实现transistor功能
N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号如图4所示。
图4 MOSFET结构与符号
N沟道MOSFET制作在P衬底上,在P衬底上形成两个N型区,其中一个N型区叫做源区,所引出的电极叫源极,用S表示(Source),另一个N区叫漏区,所引出的电极叫漏极,用D表示(Drain),在S、D之间形成MOS结构,引出电极叫栅极,用G表示(Gate)。与BJT不同,MOSFET是四端器件,衬底端也引出一个电极,用B表示(Block或Background)。S、D和G的功能也是闻如其名,S,载流子之源;D,抽取源中的载流子,形成漏极电流ID。能否形成ID,受“栅控门”来控制。“栅控门”就是由栅电压所控制的一个势垒。由图4可知,MOSFET寄生着一个NPN晶体管,S为发射区,D为集电区,中间的P为基区,基区的电子能级高于N发射区和N集电区能级,于是就形成了一个阻隔着载流子的“门”。这个门的开、关,及开的程度由栅电压VGS控制。通过栅极电压(VGS)降低MOS结构半导体表面的势垒,使表面形成反型层(N型层)——导电沟道,S与D之间的沟通之门被打开。
MOSFET的工作原理示意图如图5所示:
(a)MOSFET结构示意图
(b)受VGS和VDS控制的
沟道电阻
图5 MOSFET工作原理示意图
图5(a)为栅电压VGS打开了D、S沟通之门的MOSFET,于是MOSFET就成为了一个如图5(b)所示的,既受VGS控制,又受VDS控制的可变电阻。于是,在漏源电压VDS作用下,漏极电流ID就形成了。对于N沟道增强型MOSFET来说,VGS越大,门打开的程度越大,图5(b)所示的电阻就越小,漏极电流ID越大,于是就实现了栅电压VGS控制漏极电流ID的transistor(跨阻)功能。
一言以蔽之:MOSFET依靠栅控门实现输入电压(VGS)对漏极电流(ID)控制的transistor(跨阻)功能。
功率MOSFET=平面MOSFET+RV,RV,电流垂直流动区域的电阻,栅电压有点儿鞭长不及了。于是,减小RV是功率MOSFET追求的目标,于是不断有新结构功率MOSFET结构诞生,如UMOSFET、GD-MOSFET和SJ-MOSFET等等。
FET家族的其他家族成员,尽管栅极结构不同,但核心工作机制依然是依靠栅控门实现跨导功能。下面再说一说集PET与FET于一身的IGBT。
04
IGBT——
“控制门+滑梯”强化transistor效应
IGBT的工作示意图和等效电路如图6所示:
(a)
IGBT结构示意图
(b)MOSFET+PiN
(c)
达林顿模式
图6 IGBT的结构示意图
从图6(a)可知,为IGBT是集平面MOSFET、PiN二极管和PNP晶体管于一身的复合型器件。通态的工作模式如图6(b)所示:MOSFET+PiN二极管的串联,由栅电压控制着平面MOSFET的漏极电流的大小。随着VCE的增加,IGBT进入MOSFET+PNP晶体管的达林顿模式,如图6(c)所示。MOSFET的输出电流作为PNP晶体管的输入电流,依靠“栅控门+滑梯”的双重作用,实现更强的跨阻效应。
05
一语道破天机——
晶体管家族的核心工作机制
晶体管家族两大分支具有不同的核心工作机制:
PET的核心工作机制是输入电压所控制的“滑梯”
FET的核心工作机制是“栅控门”
IGBT是PET与FET联姻的结晶,则是集PET与FET的工作机制于一身——“栅控门+滑梯”。
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