一、單向?qū)ǖ亩O管

首先來說一下二極管。大家所熟知的 LED，也就是發(fā)光二極管，可能是二極管家族中最有名的一種。但是二極管的作用當(dāng)然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于發(fā)光。功率半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)整流作用，都是因?yàn)槎O管的貢獻(xiàn)。

二極管的整流作用

二極管(Diode)的原意是帶有兩個(gè)(di-)電極(-ode)的元件，是一個(gè)二端子(電極)器件。它最大的作用就是整流。我們已經(jīng)反復(fù)提過，功率半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換的方式之一，就是利用了整流器(Converter)。所謂整流作用，就是使電流只能向一個(gè)方向流動(dòng)。

電流分為直流(DC:DirectCurent)、交流(AC:AltermatingCurrent)。功率半導(dǎo)體是在交流電與直流電之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的重要器件。在日常生活中，一般是把100V的交流電(譯者注:這是日本的情況。中國是220V交流電)轉(zhuǎn)換為直流電然后供給家用電器使用。其中的第一個(gè)步驟如下圖所示，通過整流作用，將交流電轉(zhuǎn)換為單向的紋波電流(或者也可以稱為直流脈沖電流)。而實(shí)現(xiàn)這種整流作用的，就是二極管。

要將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，在上述的整流之后，還需要用濾波電容將電流變得更加均勻，減少紋波。實(shí)際的二極管整流電路如下圖所示。

這里是對單相交流電進(jìn)行整流，用到了4個(gè)整流二極管，構(gòu)成了橋式整流電路。二極管的電路符號也在圖中表示了出來。4個(gè)二極管的排列方式如左圖所示，它們在工作時(shí)實(shí)際起到的作用可以等價(jià)于右圖，相當(dāng)于4個(gè)機(jī)械開關(guān)。當(dāng)電流是正向電流時(shí)，流過的路徑如下圖(a)所示。反之，電流是反向電流時(shí)，流過的路徑如下圖(b)所示。

二極管的電路符號中有一個(gè)三角形(?)，表示二極管只允許電流朝這個(gè)方向流動(dòng)。因此，交流電源按順時(shí)針流出正向電流的時(shí)候，只能沿著上圖(a)的路徑流動(dòng)。交流電源電流變?yōu)榉聪驎r(shí)，電流只能沿著上圖(b)的路徑流動(dòng)。4個(gè)二極管中，相對位置的兩個(gè)管子兩兩組合，分別通過正、反向電流。值得注意的是，無論電源流出的電流是正向還是反向，負(fù)載上的電流方向始終是不變的(圖中是從上到下)。正是因?yàn)樨?fù)載上電流方向不變的特性，才可以說這個(gè)電路起到了整流作用。將4個(gè)二極管等價(jià)為上圖中的4個(gè)機(jī)械開關(guān)來看，正向電流時(shí)，開關(guān)S1和S4 閉合，而S2和 S3 斷開;反向電流時(shí)情況相反，可以想象。如此也可以實(shí)現(xiàn)整流作用將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。但是如果真的用這樣的機(jī)械開關(guān)來控制電路，開關(guān)的通斷需要人工操作，顯然會(huì)非常困難。如果用二極管代替機(jī)械開關(guān)，由于二極管本身的單向?qū)ㄌ匦?，自?dòng)控制電流的流向，可以很輕易地實(shí)現(xiàn)高速的變換。

也有的作者會(huì)提到二極管的反向截止特性，其實(shí)與我們所提的正向?qū)ㄊ且惑w兩面的，結(jié)合在一起可以幫助讀者更好地理解二極管的原理。

二極管整流作用的實(shí)現(xiàn)原理

要從物理層面解釋整流是如何實(shí)現(xiàn)的，就離不開PN結(jié)。我們曾經(jīng)看到過 PN 結(jié)施加偏壓后的情況。下圖中也把它們引用過來一起比較。

說明固體硅的物理特性時(shí)，通常要畫出它的能帶圖(EnergyBand:在固體電子學(xué)中，畫出晶體中電子的能量分布，會(huì)發(fā)現(xiàn)主要分布為價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶三個(gè)部分)。本內(nèi)容面向初學(xué)者，盡量避免使用這些過于專業(yè)的方式。所以這里把所謂的能帶比喻成一個(gè)斜坡，幫助大家理解。大家可以這樣想象:在PN結(jié)中存在著一個(gè)斜坡(可以看作載流子向某方向移動(dòng)的難易程度)，并且隨著外加偏壓的變化，斜坡的坡度也在變化。不加任何偏壓，即偏壓為0V 時(shí)，斜坡的坡度以虛線表示。當(dāng)外加偏壓為正時(shí)，坡度會(huì)變平緩，使載流子更容易流動(dòng)，于是電流增大，也就是二極管的正向?qū)ā．?dāng)外加偏壓為負(fù)時(shí)，坡度會(huì)變得陡峭使載流子難以流動(dòng)，于是電流就會(huì)變小直至消失，也就是二極管的反向截止。結(jié)合上圖的內(nèi)容，希望這樣能幫助讀者理解整流的實(shí)現(xiàn)原理。

外加偏壓為正時(shí)，電流方向是從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，而電子的流動(dòng)方向是反過來從 N型流向P型的。電流方向其實(shí)是指正電荷的移動(dòng)方向，而電子卻是帶負(fù)電荷，所以電子的移動(dòng)方向一定是與電流的方向相反的。

二、大電流雙極型晶體管

雙極型晶體管比二極管多一個(gè)極，主要是在大電流電路中作為開關(guān)使用。

什么是雙極型晶體管

我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了雙極型晶體管，這里將更加詳細(xì)地介紹它的基本原理和特性，MOS 晶體管是電壓驅(qū)動(dòng)器件，而雙極型晶體管是電流驅(qū)動(dòng)器件，有 NPN型和 PNP型兩種類型，每種類型都含有兩個(gè)相連的PN結(jié)。下圖中再次為我們畫出了 PNP 型晶體管的結(jié)構(gòu)模型和電路符號。

為何稱為“雙極型”晶體管?因?yàn)槠渲杏须娮雍涂昭▋煞N不同極性的載流子同時(shí)工作，所以叫作“雙極型”。與之相對的，MOS 型晶體管中只有多數(shù)載流子起到作用，因此也可以被稱為“單極型”晶體管，但只是用來與“雙極型”做對比實(shí)際并沒有人使用這種稱呼。要理解器件中多數(shù)載流子(MajorityCarrier)和少數(shù)載流子(Minority Carier)的工作原理，雙極型晶體管是一個(gè)很好的例子。另外，雙極型晶體管也可以稱作多結(jié)器件，因?yàn)樗锩婧袃蓚€(gè)PN結(jié)。

高速開關(guān)電路的必要性

之前我們學(xué)到交流電整流變成直流電，現(xiàn)在來看看直流電如何變?yōu)榻涣麟姟＿@同樣要用到功率半導(dǎo)體，也就是所謂的逆變器。逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實(shí)際上可以想象成把直流電進(jìn)行切割，變成一系列脈沖，就像下圖所示的變化一樣。要實(shí)現(xiàn)這種切割、就需要高速開關(guān)電路。下圖(b)中為了表示方便，把所有脈沖的寬度畫成了一樣的，實(shí)際情況中，各個(gè)脈沖的寬度都是不一樣的，感興趣的讀者可以了解一下“脈沖寬度調(diào)制(PWM)”。切割后得到的脈沖波形還需要輸人給LC振蕩電路（L是電感，C是電容，它們可以一起形成振蕩電路。在逆變器里，振蕩電路的主要作用是把切割出來的脈沖波進(jìn)行濾波，平滑成近似正弦波，也就是正弦交流電的樣子），使波形進(jìn)一步被轉(zhuǎn)換為接近正弦波。由于LC振蕩電路的原理與功率半導(dǎo)體無關(guān)，所以這里不多贅述。

逆變器中，需要用到不同類型的晶體管來實(shí)現(xiàn)上述的切割，也就是高速開關(guān)的作用。前一節(jié)說過，利用二極管的單向?qū)щ娦?，通過控制外加電壓的方向來控制電流的通斷，如此形成一種開關(guān)作用。這所講的雙極型晶體管，其開關(guān)的原理是與二極管不一樣的。

從這部分開始直到后面的IGBT 器件，會(huì)詳細(xì)介紹每一種功率半導(dǎo)體都是如何實(shí)現(xiàn)開關(guān)作用的。

雙極型晶體管的原理

首先復(fù)習(xí)一下:雙極型晶體管有基極、發(fā)射極、集電極三個(gè)電極，是一種三端器件;其中，發(fā)射極(Emitter)可以發(fā)出載流子;集電極(Collecter)用來收集發(fā)射極發(fā)出的載流子:基極(Base)在雙極型晶體管電路中，可用來控制基極電流，使雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)斷。

下圖中畫出了PNP型雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。它其實(shí)是兩個(gè)PN結(jié)“背靠背”連接在一起而形成的。從左到右三個(gè)區(qū)域依次是發(fā)射區(qū)、基區(qū)、電區(qū)。其中集電醫(yī)的摻雜濃度比發(fā)射極的低。

但是僅僅有 PN結(jié)，還不能算是一個(gè)器件，還需要引出電極、連成回路才行。為此，晶體管與外電路有三種不同的連接方式:共發(fā)射極、共基極、共集電極(共某極簡單來說，就是讓某極接地)。這里先討論共基極(即基極接地（與大地(GND)連接，通常認(rèn)為電壓為 0V）)的情況。接下來要解決的問題是這里的兩個(gè) PN 結(jié)要如何施加偏壓。所謂偏壓，就是說在電極之間，施加什么方向的電壓。通常來說，要讓雙極型晶體管正常工作，發(fā)射極-基極之間接正向偏壓，集電極-基極之間接反向偏壓，如下圖所示。下一個(gè)關(guān)鍵問題是，如何讓雙極型晶體管起到開關(guān)作用呢?此時(shí)，由于發(fā)射極與基極之間施加了一定大小的正向偏壓，來自發(fā)射極區(qū)域的多數(shù)載流子(本例的 PNP晶體管中就是指空穴)被送到基極的區(qū)域，如果能繼續(xù)通過長度很短的基極區(qū)域，那么載流子就從發(fā)射區(qū)到了集電區(qū)。也就是圖中所畫的，形成了集電極電流，此時(shí)電路的開關(guān)狀態(tài)為開on)。

此時(shí)，基極和發(fā)射極之間的正向偏壓必須大于一定的值(對于用硅制成的器件來說大約為 0.7V)。但是如果這個(gè)正向偏壓減小到0，甚至變成反向偏壓，發(fā)射極的多數(shù)載流子就無法流向基極和集電極，整個(gè)器件就會(huì)變?yōu)殛P(guān)(of)的狀態(tài)。

雙極型晶體管的工作過程

下面的內(nèi)容可能會(huì)更加有難度。筆者將從雙極型晶體管的1-V(電流-電壓)特性曲線說起，并增加一些關(guān)于雙極型晶體管工作原理的解釋。下圖中畫出了雙極型晶體管的1-V特性曲線，其中y軸表示電流，x軸表示電壓。圖中的曲線表示了:當(dāng)集電極C與發(fā)射極E之間的電壓差 V_CE發(fā)生變化時(shí)，所對應(yīng)的集電極電流Ⅰ_C的變化。基極電流Ⅰ_B也是一項(xiàng)可變參數(shù)，影響著 V_CE與Ⅰ_C之間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)基極電流Ⅰ_B增大時(shí)，對應(yīng)同樣的 V_CE，集電極電流Ⅰ_C也會(huì)增大。這樣就可以通過控制基極電流Ⅰ_B來控制集電極電流Ⅰ_C，這就是為什么雙極型晶體管是電流控制器件的原因。

如果基極電流Ⅰ_B為0，集電極電流Ⅰ_C也會(huì)消失，這就對應(yīng)了圖中所示的截止區(qū)，雙極型晶體管此時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)(off)。當(dāng)基極電流Ⅰ_B從0逐漸增大，集電極電流Ⅰ_C也會(huì)隨之出現(xiàn)，并且進(jìn)人圖中的線性放大區(qū)，雙極型晶體管處于開啟狀態(tài)(on)，電源電壓和負(fù)載共同決定著集電極電流Ⅰ_C 的變化范圍。如果基極電流Ⅰ_B持續(xù)增大，達(dá)到一定程度后，Ⅰ_C的變化程度會(huì)越來越小，直至不變(達(dá)到了飽和)。這時(shí)雙極型晶體管雖然還是處于開啟狀態(tài)，但其實(shí)已經(jīng)進(jìn)人了飽和區(qū)，實(shí)際應(yīng)用作為開關(guān)時(shí)，晶體管并不是工作在線性放大區(qū)，而是使基極電流要么為0，要么非常大，器件的狀態(tài)在圖中的A點(diǎn)(截止區(qū))和B點(diǎn)(飽和區(qū))之間快速變換，從而實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)的功能。兩種狀態(tài)下，器件中流過的集電極電流大小相差非常大，我們說這個(gè)器件具有非常大的開關(guān)電流比I_on/I_off。如此就可以實(shí)現(xiàn)大電流的開啟和截止。以上就是雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)的方法。這些內(nèi)容對初學(xué)者來說的確難懂，但還是希望讀者能盡量明白。另外，用于大功率電力轉(zhuǎn)換的功率半導(dǎo)體雙極型晶體管，和用于信號放大的普通雙極型晶體管也是有不同之處的。

必須注意的是:圖雙極型晶體管的 I-V特性曲線所展示的其實(shí)是共發(fā)射極(發(fā)射極接地)連接方式下，雙極型晶體管的 I-V 曲線;而圖PNP 型雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖所畫的電路連接方式卻是共基極(基極接地)，這只是為了使電路圖簡單易懂。雙極型晶體管不同的連接方式，原理略有不同，對此感興趣的讀者請參考其他專業(yè)書籍。實(shí)際上，在功率放大電路中，都是用共射極的方式進(jìn)行連接的。

三、雙向晶閘管

晶閘管器件中有3個(gè)PN結(jié)，比雙極型晶體管還要多一個(gè)。主要是用作大功率電路的開關(guān)。

什么是晶閘管

相比于二極管或晶體管，聽說過晶閘管(Thyristor)的人可能非常少。晶閘管的名字其實(shí)是從氣體閘流管(Gas Thyratrone)而來。晶閘管是一種用于電力轉(zhuǎn)換的雙極型晶體管，是功率半導(dǎo)體所獨(dú)有的器件。它的發(fā)展歷史在之前的插圖中曾經(jīng)提到過。它與我們之前所學(xué)過的雙極型晶體管(三極管)無論是在構(gòu)造還是原理上都不一樣，用一節(jié)的篇幅來講晶閘管恐怕都是不夠的。這里想請大家記住的只有一點(diǎn):它可以改變電路的開關(guān)狀態(tài)，但開關(guān)速度并不太高。

我們把晶閘管寫作SCR(Silicon-Contolled Rectifer)，譯為硅控整流器實(shí)際上常稱為可控硅。它的電路符號畫在圖3-3-1中。其中(a)是晶閘管，(b)是以后將要介紹的 GTO 晶閘管(可關(guān)斷晶閘管，或門控可控硅)。

典型的晶閘管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，它是一種三端器件。它的結(jié)構(gòu)可以看作:有一個(gè) NPN 晶體管的基極和一個(gè)PNP晶體管的集電極相連，如此形成的PNPN 結(jié)構(gòu)的器件。從圖中可以看到，在一個(gè)晶閘管中有3個(gè)PN結(jié)。當(dāng)在陽極(A)與陰極(K)之間加工作電壓(正向偏壓)，并且在柵極(G，也可稱為門極)和陰極(K)之間也加正向偏壓的時(shí)候，柵極(G)與陰極(K)之間正向?qū)ǎ瑤?dòng)大電流從陽極(A)流向陰極(K)整個(gè)器件處于開啟狀態(tài)。當(dāng)撤掉陽極(A)與陰極(K)之間的正向工作電壓時(shí)，器件進(jìn)入關(guān)斷的狀態(tài)。有趣的是，當(dāng)器件處于開啟狀態(tài)時(shí)，即使撤掉柵極(G)與陰極(K)之間的正向偏壓，器件還是能保持開的狀態(tài)。這個(gè)特殊的性質(zhì)，英語中稱作 Latch，中文翻譯為閂鎖。

晶閘管的工作原理可以用下圖 所示的 I-V 特性曲線來描述。它可以在 on 和of 兩個(gè)狀態(tài)間切換，形成開關(guān)功能。但是由于前面所說的閂鎖現(xiàn)象，如果想讓器件進(jìn)人關(guān)斷狀態(tài)，只撤掉柵極電壓是不夠的，還必須撤去陽極(A)和陰極(K)之間的工作電壓，或借助換流電路增加逆向電壓才可以。

GTO 晶閘管的登場

GTO 晶閘管，即 Gate Tum Of Thyristor 的簡稱。普通的晶閘管開啟之后狀態(tài)就穩(wěn)定了，除非借助換流電路增加逆向電壓才能進(jìn)人關(guān)斷狀態(tài)。但CTO 晶閘管在控制極(G)有特殊設(shè)計(jì)，可以改變關(guān)斷狀態(tài)。

晶閘管的應(yīng)用

因?yàn)榫чl管擁有這樣的開關(guān)特性，可以廣泛應(yīng)用于電力控制、電力變換等設(shè)備中。例如電力機(jī)車的電動(dòng)機(jī)控制。但晶閘管的開關(guān)速度并不高，現(xiàn)在電力機(jī)車的電動(dòng)機(jī)控制已經(jīng)被 IGBT 取代。

另外，普通的晶閘管要通過外部的換流電路來幫助進(jìn)行關(guān)斷，所以也叫作“他勵(lì)式”器件。后面將要介紹的IGBT器件，具有不需要外部換流電路的優(yōu)點(diǎn)，所以叫作“自勵(lì)式”器件。

四、具有高速開關(guān)特性的功率型 MOSFET

本部分將說明 MOSFET的工作原理，同時(shí)稍稍追溯一下功率型MOSFET的發(fā)展歷史。實(shí)際上功率型 MOSFET的原理基本上與集成電路中的 MOS型晶體管類似，只是其中電壓電流的取值范圍不同。

MOSFET 的工作原理

雙極型晶體管是電流控制器件，而MOSFET是要在柵極施加電壓，使源極、漏極之間形成電流的溝道，如此來控制器件的開關(guān)動(dòng)作，請看下圖。由于是柵極電壓控制，所以它的特點(diǎn)之一是輸人阻抗非常高。關(guān)于阻抗（元器件對電路中電流的阻礙作用。這里指的是對交流輸人信號的阻抗），后面會(huì)專門討論導(dǎo)通電阻的問題。下圖中箭頭表示載流子的流動(dòng)方向，由于此處是N溝道，載流子為電子所以電流的流向?qū)嶋H與圖中箭頭方向相反。

對 MOSFET比較熟悉的讀者應(yīng)該知道，功率半導(dǎo)體中所使用的一般是N溝道增強(qiáng)型MOSFET，原因是它允許通過更大的電流，獲得更大的開關(guān)電流比。N溝道就是說載流子是電子。增強(qiáng)型也可以說成是常閉型，因?yàn)橹挥薪o它的柵極施加正電壓時(shí)，才能在源極漏極之間吸引電子形成N溝道，而平常不對柵極施加正電壓時(shí)是沒有溝道的，這就是常閉型的由來。這些知識(shí)可能一時(shí)不容易記住，但了解一些有助于理解后面的內(nèi)容。打個(gè)容易理解的比方，水龍頭的開關(guān)沒有打開的時(shí)候，水是不能流出來的，這與柵極不加電壓就不能形成溝道是一個(gè)道理。實(shí)際上柵極不施加電壓的時(shí)候，還是會(huì)有一些電流流過，這稱為漏電流，從節(jié)能的角度來說是應(yīng)當(dāng)避免的。同樣的道理，水龍頭如果漏水，水表的數(shù)字也會(huì)向上跳。

對于功率型 MOSFET來說，由于需要流過大電流、耐高電壓，所以一般采用下圖那樣的垂直型構(gòu)造。圖中這種構(gòu)造其實(shí)叫作垂直雙擴(kuò)散型MOSFET。英語中寫作VerticalDiusi0n MOSFET，縮寫為 VDMOSFET。這種垂直構(gòu)造有利于通過大電流，與之前所示的平面型構(gòu)造不同。

MOSFET的歷史背景，以及MOSFET對于功率半導(dǎo)體的重要性。之前說過的雙極型晶體管是電流控制器件，載流子在基區(qū)的復(fù)合需要大約 3us 的時(shí)間，這也就制約了器件截止的速率。器件不能及時(shí)截止，開關(guān)速率就難以提高。

而功率型 MOSFET由于是電壓控制器件，器件截止時(shí)不存在載流子復(fù)合的過程，器件的開關(guān)速率比前者大大加快。雙極型晶體管由于采用了電導(dǎo)率調(diào)節(jié)（區(qū)域內(nèi)載流子濃度越高，電阻率就越低，電導(dǎo)率也就越高。利用這一現(xiàn)象，就可以通過調(diào)節(jié)摻雜濃度而控制電導(dǎo)率），飽和損失比功率型MOSFET更低。但在開關(guān)損失方面，雙極型晶體管開關(guān)損失隨著頻率的增長明顯比功率型MOSFET 快得多。從下圖的兩類器件的損失比較示意圖可見，高頻率情況下，功率型MOSFET 的開關(guān)損失是最小的。

MOSFET器件最大的特點(diǎn)是高速開關(guān)性能，可以實(shí)現(xiàn)兆赫茲級(MHz)的高速開關(guān)，也就是說一秒鐘可以實(shí)現(xiàn)百萬次的開關(guān)。但 MOSFET并不耐高電壓和大電流，主要應(yīng)用在千瓦級以下的小型家用電器中。不耐高電壓的原因，主要是N型區(qū)域厚度減薄導(dǎo)致導(dǎo)通電阻下降。關(guān)于導(dǎo)通電阻的內(nèi)容還會(huì)在 3-6 節(jié)詳細(xì)討論。

MOSFET的各種構(gòu)造

用于高速開關(guān)電路的 MOSFET器件隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，器件的構(gòu)造也在不斷發(fā)展。限于篇幅，這里不可能全面介紹，只能舉幾個(gè)例子。例如為了提高耐壓性，將溝道區(qū)域制作成 V形溝槽，如下圖所示。但是由于V形底部的尖端電場強(qiáng)度太大，后來人們將其改造成U形，以平緩電場強(qiáng)度。就是這樣，功率型MOSFET的構(gòu)造總是根據(jù)需要而變化著。

關(guān)于這兩種構(gòu)造的制造工藝，V形溝槽是利用了氫氧化鉀(KOH)溶液從硅晶體的特定方向進(jìn)行蝕刻(各向異性蝕刻)而形成的，而U形溝槽則是利用了干法蝕刻（利用等離子氣體進(jìn)行反應(yīng)蝕刻的技術(shù)。與之相對的是利用化學(xué)藥品進(jìn)行的濕法蝕刻技術(shù)）技術(shù)。半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)以及制作工藝是相當(dāng)復(fù)雜的學(xué)問。

五、環(huán)保時(shí)代的 IGBT

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor 的縮寫，意思是絕緣柵雙極型晶體管。本部分將從 IGBT的基本原理開始講起。

IGBT 出現(xiàn)的時(shí)代背景

簡單介紹一下IGBT是如何出現(xiàn)的。我們已經(jīng)詳細(xì)地介紹過雙極型晶體管、晶閘管功率型 MOSFET等功率半導(dǎo)體的知識(shí)。MOSFET雖然能實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)，但也有需要解決的問題:比如為了實(shí)現(xiàn)高速而不得不在構(gòu)造上受到制約，從而降低了耐壓性能。但是半導(dǎo)體市場對高壓電力變換的需求也在日益增長，例如用在新干線上的異步電動(dòng)機(jī)逆變器。為此，就希望研發(fā)出能承受相對高電壓并且兼顧高速開關(guān)性能的功率半導(dǎo)體。在這樣的背景下，IGBT問世了。圖下圖大致畫出了各種類型功率半導(dǎo)體器件所適用的頻率和功率范圍。

圖中橫坐標(biāo)代表信號頻率，縱坐標(biāo)代表功率的大小，由此劃分出各種類型的功率半導(dǎo)體最適用的范圍。IGBT恰好覆蓋了雙極型晶體管和功率型MOSFET無法勝任的高頻率高功率領(lǐng)域。這里的頻率可以理解為器件開關(guān)的速率，功率也基本可以體現(xiàn)出器件的耐壓性能。

IGBT 的工作原理

我們以典型的縱向 IGBT結(jié)構(gòu)為例來說明。下圖是這種器件的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號。如果 VDMOSFET 結(jié)構(gòu)相比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，縱向IGBT結(jié)構(gòu)就是在VDMOSFET的下方增加了一個(gè)雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)，這樣一看就很容易明白了VDMOSFET 的N型硅晶圓向下是一個(gè)N^-N⁺P^-的三層結(jié)構(gòu)。

參照下圖，如果將上方包圍住發(fā)射極的P型區(qū)也算進(jìn)去，并把N^-N⁺看作一個(gè)N層，那么整體就形成了一個(gè)縱向的P^-N^-P 結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管。

對柵極施加正電壓的時(shí)候，上部 MOSFET結(jié)構(gòu)的兩個(gè)P型區(qū)域都產(chǎn)生N型溝道，在縱向的 PNP中形成電流。但從上述縱向雙極型晶體管的角度來看，這其實(shí)就是形成了發(fā)射極和基極之間的電流，雙極型晶體管開啟，整個(gè)IGBT開啟。當(dāng)柵極電壓消除后，IGBT也就進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

IGBT 器件不需要晶閘管那樣的調(diào)流器件來輔助截止，只需要利用 MOSFET部分的柵極就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)，這是它的優(yōu)點(diǎn)。

橫向 IGBT 的例子

IGBT 的構(gòu)造不光有縱向結(jié)構(gòu)，也有橫向結(jié)構(gòu)。下圖就是橫向結(jié)構(gòu)的例子首先，由于器件需要很好的耐壓性能，柵極(圖中彩色的粗線)是覆蓋在很厚的絕緣層上的。然后電流的溝道所經(jīng)過的N型區(qū)域(N上角是減號“-”，代表摻雜濃度較低相反，正號“+”表示摻雜濃度很高)也需要高耐壓性，所以發(fā)射極和集電極之間隔開了很長的距離，并且為了允許大電流通過，N型區(qū)域的深度很深。這張圖只是簡單的示意圖，并沒有按照真實(shí)的長寬比來畫。實(shí)際上N型區(qū)域的厚度可達(dá)數(shù)百微米，比通常的MOSFET器件大得多。告訴讀者這個(gè)數(shù)據(jù)，也是希望讓讀者順便了解半導(dǎo)體器件通常的尺寸。橫向IGBT的開啟，也是要對柵極增加電壓，在P型區(qū)域形成反型層，產(chǎn)生型溝道使電流流過。另外，橫向IGBT中的雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，是由發(fā)射極下方的P型區(qū)域、長長的 N^-型區(qū)和集電極的 P/P⁺區(qū)共同形成的。

如前所述，IGBT在大電流器件中實(shí)現(xiàn)了高速開關(guān)性能，相當(dāng)于雙極型晶體管和 MOS-FET 兩種結(jié)構(gòu)的組合，因此結(jié)構(gòu)和制造工藝都非常復(fù)雜，制造成本很高。

用外延生長工藝得到的穿通型(PunchThrough)IGBT，目前仍然占據(jù)著 ICBT市場一半的份額，但在它的外延生長工藝中，摻雜濃度控制是非常困難的。后來人們對 IGBT的設(shè)計(jì)提出了各種新的思路。

六、功率半導(dǎo)體課題的探索

關(guān)于功率半導(dǎo)體的課題非常多，這里主要討論一下導(dǎo)通電阻的問題，這是功率半導(dǎo)體所特有的。

什么是導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通電阻是指晶體管在放大工作時(shí)的電阻，它會(huì)消耗電力。比如導(dǎo)通電阻高，就相當(dāng)于讓一頭牛拉一車草去目的地。牛的飯量很大，路上就把草吃了大半。只有換用其他飯量小的動(dòng)物，才能把更多的草運(yùn)到目的地。對于晶體管來說，導(dǎo)通電阻越小，才越能減少電力的損耗，讓負(fù)載得到越多的電力。

導(dǎo)通電阻的影響因素很多，這里無法詳細(xì)解釋。簡單舉例來說，可以看下圖，當(dāng)對二極管的 PN 結(jié)施加正向偏壓的時(shí)候，可以觀察電流的大小。在同樣的電壓下，電流越小，這個(gè)二極管的導(dǎo)通電阻就越高。

以 MOSFET器件為例，想要降低導(dǎo)通電阻，主要有這樣兩種對策。第一，可以用(100)面（在硅晶體上沿著<100>晶向切割出來的晶面。雙極型晶體管通常使用沿著<111>晶向切割得到的a晶面）硅片作為襯底材料。因?yàn)樵诠杈w中，順著(100)平面方向電子的遷移率最大，有利于降低導(dǎo)通電阻。第二，用外延生長法得到的硅晶也可以降低導(dǎo)通電阻。這種外延層的摻雜濃度和厚度，都會(huì)對導(dǎo)通電阻以及后面即將說到的耐壓性起到關(guān)鍵作用。降低導(dǎo)通電阻其實(shí)主要在于降低器件導(dǎo)通后溝道中的電阻。所以用短而寬的溝道就可以實(shí)現(xiàn)，例如提到的 VDMOSFET 就是這樣的設(shè)計(jì)思路。

什么是耐壓性

耐壓就是指器件在保證正常工作的前提下，最大能承受多大的外加電壓。隨著電力設(shè)備的應(yīng)用場景不同，對器件的耐壓性也有不同的要求，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可以參考下圖。耐壓性與導(dǎo)通電阻是無法兼得的。因?yàn)椋档?PN結(jié)對電流的阻抗，就要將半導(dǎo)體的材料厚度減薄。而材料減薄，意味著允許施加的反向電壓也只能降低(太大會(huì)使PN 結(jié)擊穿)，也就是耐壓性下降。必須注意的是，這個(gè)耐壓性指的是器件中的PN結(jié)對反向偏壓的耐壓性，就是 PN 結(jié)在承受反向偏壓時(shí)，保持不被擊穿的情況下，所能承受的最大電壓，如上圖中負(fù)半軸的耐壓部分所示。

這個(gè)問題會(huì)在后面詳細(xì)討論，這里僅簡單說明。硅材料限于本身的性質(zhì)，很難在降低導(dǎo)通電阻的同時(shí)提高耐壓性，因此人們早就開始尋找新的材料來滿足需求。目前來看最有希望取代硅的，就是碳化硅和氮化鎵兩種材料。它們本身的物理性質(zhì)就決定了，其耐壓性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越硅材料，而且電子的遷移率比硅材料高，所以導(dǎo)通電阻也就小。如今的功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，也和集成電路領(lǐng)域一樣，激烈的競爭已經(jīng)延伸到了上游的材料開發(fā)，是整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域中普遍存在的現(xiàn)象。

硅材料功率半導(dǎo)體的研究已經(jīng)不限于平面柵型半導(dǎo)體，而是正在向溝槽型轉(zhuǎn)移。晶圓減薄、平面柵、溝槽柵、穿通結(jié)構(gòu)(Punch Through)和非穿通結(jié)構(gòu)(Non-Punch Through)場截止(Field Stop)等，這些主流技術(shù)，都將后面介紹。

參考文獻(xiàn)：

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