MOS管、三极管、IGBT之间的因果关系 区别与联系最全解析-KIA MOS管

MOS管、三极管、IGBT之间的因果关系 区别与联系最全解析

大家都知道MOS管、三极管、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、三极管、IGBT之间的关系

PN结：从PN结说起

PN结是半导体的基础，掺杂是半导体的灵魂，先明确几点：

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、载流子：导电介质，分为多子和少子，概念很重要，后边会引用

3、空穴”带正电，电子带负电，但掺杂后的半导体本身为电中性

4、P+和N+表示重度掺杂；P-和N-表示轻度掺杂

PN结原理如下图，空穴和电子的扩散形成耗尽层，耗尽层的电场方向如图所示：
（一）二极管
PN结正偏：PN结加正向电压，如下图

此时P区多子“空穴”在电场的作用下向N区运动，N区多子电子相反，使耗尽层变窄至消失，正向导电OK，也可以理解成外加电场克服耗尽层内电场，实现导电，该电压一般为0.7V或0.3V。二极管正向导通的原理即是如此。

PN结反偏：PN结加反向电压，如下图：

反偏时，多子在电场作用下运动使PN结加宽，电流不能通过，反向截止；二极管反向截止的原理就是这样。但是，此时少子在内外电场的作用下移动，并且耗尽层电场方向使少子更容易通过PN结，形成漏电流。得出重要结论，划重点：反偏时，多数载流子截止，少数载流子很容易通过，并且比正偏时多数载流子通过PN结还要轻松。

（二）三极管

上边说PN结反偏的时候，少数载流子可以轻易通过，形成电流，正常情况小少子的数量极少，反向电流可忽略不计。

现在我们就控制这个反向电流，通过往N区注入少子的方式，怎么注入，在N区下再加一个P区，并且使新加的PN结正偏，如下：

上图中，发射结正偏，空穴大量进入基区，他们在基区身份仍然是少数载流子的身份，此时，如前所述，这些注入的少数载流子很容易通过反偏的PN结——集电结，到达集电极，形成集电极电流Ic。

于是，我们课堂上背的三极管放大导通条件是<发射结正偏，集电结反偏>就非常容易理解了，上一张三极管的特性曲线。

这里涉及了饱和区的问题，三极管工作在饱和区时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管结构原理：以N-MOS为例，a：P型半导体做衬底；b：上边扩散两个N型区，c：覆盖SiO2绝缘层；在N区上腐蚀两个孔，然后金属化的方法在绝缘层和两个孔内做成三个电极：G（栅极）、D（漏极）、S（源极）。

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

为改善器件性能，出现了VMOS、UMOS等多种结构，基本原理都一样。

（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的导电路径：

由于上图P阱与N-漂移区的PN结成反偏状态，于是产生了JFET效应，如下图。

于是，在上述IGBT结构中，电子流通方向的电阻可用下图表示，结合上边描述，一目了然。

为了减小上述电阻，并且提高栅极面积利用率，沟槽栅IGBT变成主流，作用效果如下图。

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-区下的功夫包含以下几种：

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。

三极管，MOSFET, IGBT的区别？

为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件？
要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之间的关系，就必须对这三者的内部结构和工作原理有大致的了解。

BJT
双极性晶体管，俗称三极管。内部结构（以PNP型BJT为例）如下图所示。

BJT内部结构及符号

双极性即意味着器件内部有空穴和电子两种载流子参与导电，BJT既然叫双极性晶体管，那其内部也必然有空穴和载流子，理解这两种载流子的运动是理解BJT工作原理的关键。

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。

这种运动最终会造成在发射结上出现一个从N区指向P区的电场，即内建电场。该电场会阻止P区空穴继续向N区扩散。倘若我们在发射结添加一个正偏电压（p正n负），来减弱内建电场的作用，就能使得空穴能继续向N区扩散。

扩散至N区的空穴一部分与N区的多数载流子——电子发生复合，另一部分在集电结反偏（p负n正）的条件下通过漂移抵达集电极，形成集电极电流。

值得注意的是，N区本身的电子在被来自P区的空穴复合之后，并不会出现N区电子不够的情况，因为b电极（基极）会提供源源不断的电子以保证上述过程能够持续进行。这部分的理解对后面了解IGBT与BJT的关系有很大帮助。

MOSFET

金属-氧化物-半导体场效应晶体管，简称场效晶体管。内部结构（以N-MOSFET为例）如下图所示。

MOSFET内部结构及符号

在P型半导体衬底上制作两个N+区，一个称为源区，一个称为漏区。漏、源之间是横向距离沟道区。在沟道区的表面上，有一层由热氧化生成的氧化层作为介质，称为绝缘栅。在源区、漏区和绝缘栅上蒸发一层铝作为引出电极，就是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。

MOSFET管是压控器件，它的导通关断受到栅极电压的控制。我们从图上观察，发现N-MOSFET管的源极S和漏极D之间存在两个背靠背的pn结，当栅极-源极电压VGS不加电压时，不论漏极-源极电压VDS之间加多大或什么极性的电压，总有一个pn结处于反偏状态，漏、源极间没有导电沟道，器件无法导通。

但如果VGS正向足够大，此时栅极G和衬底p之间的绝缘层中会产生一个电场，方向从栅极指向衬底，电子在该电场的作用下聚集在栅氧下表面，形成一个N型薄层(一般为几个nm)，连通左右两个N+区，形成导通沟道，如图中黄色区域所示。当VDS＞0V时，N-MOSFET管导通，器件工作。

IGBT

IGBT的结构图

IGBT内部结构及符号

黄色色块表示IGBT导通时形成的沟道。首先看黄色虚线部分，细看之下是不是有一丝熟悉之感？

这部分结构和工作原理实质上和上述的N-MOSFET是一样的。当VGE>0V，VCE>0V时，IGBT表面同样会形成沟道，电子从n区出发、流经沟道区、注入n漂移区，n漂移区就类似于N-MOSFET的漏极。

蓝色虚线部分同理于BJT结构，流入n漂移区的电子为PNP晶体管的n区持续提供电子，这就保证了PNP晶体管的基极电流。我们给它外加正向偏压VCE，使PNP正向导通，IGBT器件正常工作。

这就是定义中为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件的原因。

此外，图中我还标了一个红色部分，这部分在定义当中没有被提及的原因在于它实际上是个npnp的寄生晶闸管结构，这种结构对IGBT来说是个不希望存在的结构，因为寄生晶闸管在一定的条件下会发生闩锁，让IGBT失去栅控能力，这样IGBT将无法自行关断，从而导致IGBT的损坏。

IGBT和BJT、MOSFET之间的故事

BJT出现在MOSFET之前，而MOSFET出现在IGBT之前，所以我们从中间者MOSFET的出现来阐述三者的因果故事。

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年的一次场效应管发明尝试中，意外发明了电接触双极晶体管（BJT）。

两年后，同样来自贝尔实验室的Shockley用少子注入理论阐明了BJT的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。

发展到现在，MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等，具有门极输入阻抗高、驱动功率小、电流关断能力强、开关速度快、开关损耗小等优点。

随着下游应用发展越来越快，MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻，人们曾经尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻，但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。这显然不是理想的改进办法。

但是如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构，就不仅能够保留MOSFET原有优点，还可以通过BJT结构的少数载流子注入效应对n漂移区的电导率进行调制，从而有效降低n漂移区的电阻率，提高器件的电流能力。

经过后续不断的改进，目前IGBT已经能够覆盖从600V—6500V的电压范围，应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。IGBT凭借其高输入阻抗、驱动电路简单、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。