簡(jiǎn)述半導(dǎo)體原理——晶體管家族的核心工作機(jī)制

作者簡(jiǎn)介：關(guān)艷霞，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)副教授

• • ● 主持國(guó)家自然科學(xué)基金子課題3項(xiàng)。主持遼寧省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目1項(xiàng)。
  • ●?發(fā)表論文30余篇，其中SCI檢索4篇。
  • ●?遼寧省一流課程《微電子器件原理》《功率半導(dǎo)體器件》課程負(fù)責(zé)人
  • ●?遼寧省精品資源共享課《固體電子器件》的課程負(fù)責(zé)人
  • ●?《先進(jìn)功率整流器原理、特性及應(yīng)用》B.J.Baliga（第一譯者）
  • ●?《功率半導(dǎo)體器件》第一作者
  • ●?B站“光彩為霞”UP主，在線課程《功率半導(dǎo)體器件》和《微電子器件》

01、晶體管今生前世

在電力電子行業(yè)中，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）無(wú)疑是廣為人知的明星器件。然而，當(dāng)我們面對(duì)基于GaN（氮化鎵）材料的HEMT（高電子遷移率晶體管）技術(shù)時(shí)，可能會(huì)感到些許陌生。為了更全面地了解這一領(lǐng)域，讓我們對(duì)晶體管家族的譜系進(jìn)行一次詳盡的梳理，如圖1所示，這樣我們能更清晰地把握它們之間的關(guān)系與差異。

1947年，W. Shockley，J. Bardeen，W. Bratten三人在單晶鍺上研制成功了第一支雙極晶體管，取名：transistor。顧名思義，該器件有“跨阻”的含義，即一端的電壓對(duì)另一端的電流有控制作用。經(jīng)典著作《半導(dǎo)體器件物理學(xué)》作者施敏先生稱這類器件為PET（勢(shì)效應(yīng)晶體管）。

1960年，第一支MOSFET誕生了，發(fā)明人是D. Kahng和M. Atalla。與雙極晶體管相比，MOSFET更適合大規(guī)模集成電路的開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)幾十年的繁衍，晶體管家族“人丁興旺”，尤其是FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）一族。從柵極的構(gòu)成劃分，F(xiàn)ET可分為IGFET（絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、JFET（結(jié)型門極場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和MESFET（肖特基場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。

第一只絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管IGFET是采用二氧化硅絕緣層的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），但今天的IGFET不僅僅是MOSFET了，二氧化硅絕緣層可以用其他的介電系數(shù)更高的絕緣層替代（MISFET），也可以用寬禁帶半導(dǎo)體材料替代（HFET，異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。

寬禁帶半導(dǎo)體可以是摻雜的，即MODFET/HEMT，也可以是不摻雜的，即HIGFET。如果柵極是由PN結(jié)構(gòu)成的，那便是JFET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。如果柵極是由肖特基構(gòu)成，那便是MESFET。

圖1 晶體管家族譜系

注解（1）：在施敏著，半導(dǎo)體器件物理第三版225頁(yè)，施敏教授稱BJT為PET（the potential-effect transistor，勢(shì)效應(yīng)晶體管）

盡管晶體管家族成員不斷增加，結(jié)構(gòu)不盡相同，但其核心功能都是——transistor（“跨阻”），也可稱“跨導(dǎo)”。下面以BJT、MOSFET和IGBT為例，一語(yǔ)道破實(shí)現(xiàn)“跨阻”的天機(jī)——晶體管家族的核心工作機(jī)制。

02、BJT——由“滑梯”實(shí)現(xiàn)transistor功能

BJT的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖2所示，有npn和pnp兩種結(jié)構(gòu)。中間部分稱為基區(qū)，所連電極稱為基極，用b表示（base）；一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，所引電極稱為發(fā)射極，用e表示（emitter）；另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用c表示（collector）。e-b間的pn結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je)，c-b間的pn結(jié)稱為集電結(jié)(Jc)。之所以隆重地介紹雙極晶體管的結(jié)構(gòu)以及稱呼，是因?yàn)檫@些構(gòu)件的功能是：聞其名，知其性。

圖2 BJT的結(jié)構(gòu)與符號(hào)

發(fā)射結(jié)Je和集電結(jié)Jc，在晶體管電流傳輸中，分別發(fā)射載流子和收集載流子。工作原理示意圖如圖3所示。發(fā)射結(jié)Je在輸入端電壓VBE的作用下，發(fā)揮正偏PN結(jié)“泵”的注入功能，將發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子注入到基區(qū)，注入到基區(qū)的載流子憑借擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（緩變基區(qū)晶體管也做漂移運(yùn)動(dòng)），流向集電結(jié)Jc，被集電結(jié)Jc收集，形成集電極電流Ic。集電極電流的大小取決于基區(qū)的電流輸運(yùn)能力，基區(qū)的電流輸運(yùn)能力取決于基區(qū)的少子濃度梯度（見(jiàn)圖3中的斜線），基區(qū)少子的濃度梯度取決于Je的注入能力，而Je的注入能力取決于VBE的大小，于是BJT的VBE通過(guò)控制基區(qū)的少子濃度梯度，控制著集電極電流Ic，實(shí)現(xiàn)了跨導(dǎo)功能。

圖3 BJT工作原理示意圖

一言以蔽之：BJT的核心工作機(jī)制是：輸入電壓（VBE）在基區(qū)所搭建的載流子“滑梯”使發(fā)射結(jié)發(fā)射的載流子傳輸?shù)郊娊Y(jié)Jc，被其收集形成集電極電流Ic，實(shí)現(xiàn)了transistor（跨阻）功能。

由圖1可知，晶體管家族分為PET和FET兩大分支。對(duì)于FET來(lái)說(shuō)，無(wú)論是結(jié)構(gòu)，還是工作機(jī)理都與PET不同，但FET家族中的器件，盡管結(jié)構(gòu)也有所不同，但工作原理相近，下面以MOSFET為例，道破FET家族的核心工作機(jī)制。

03、MOSFET——由柵控門實(shí)現(xiàn)transistor功能

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)如圖4所示。

圖4 MOSFET結(jié)構(gòu)與符號(hào)

N溝道MOSFET制作在P襯底上，在P襯底上形成兩個(gè)N型區(qū)，其中一個(gè)N型區(qū)叫做源區(qū)，所引出的電極叫源極，用S表示（Source），另一個(gè)N區(qū)叫漏區(qū)，所引出的電極叫漏極，用D表示（Drain），在S、D之間形成MOS結(jié)構(gòu)，引出電極叫柵極，用G表示（Gate）。與BJT不同，MOSFET是四端器件，襯底端也引出一個(gè)電極，用B表示（Block或Background）。S、D和G的功能也是聞如其名，S，載流子之源；D，抽取源中的載流子，形成漏極電流ID。能否形成ID，受“柵控門”來(lái)控制?！皷趴亻T”就是由柵電壓所控制的一個(gè)勢(shì)壘。由圖4可知，MOSFET寄生著一個(gè)NPN晶體管，S為發(fā)射區(qū)，D為集電區(qū)，中間的P為基區(qū)，基區(qū)的電子能級(jí)高于N發(fā)射區(qū)和N集電區(qū)能級(jí)，于是就形成了一個(gè)阻隔著載流子的“門”。這個(gè)門的開(kāi)、關(guān)，及開(kāi)的程度由柵電壓VGS控制。通過(guò)柵極電壓（VGS）降低MOS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體表面的勢(shì)壘，使表面形成反型層（N型層）——導(dǎo)電溝道，S與D之間的溝通之門被打開(kāi)。

MOSFET的工作原理示意圖如圖5所示：

（a）MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖

（b）受VGS和VDS控制的溝道電阻，圖5 MOSFET工作原理示意圖

圖5（a）為柵電壓VGS打開(kāi)了D、S溝通之門的MOSFET，于是MOSFET就成為了一個(gè)如圖5（b）所示的，既受VGS控制，又受VDS控制的可變電阻。于是，在漏源電壓VDS作用下，漏極電流ID就形成了。對(duì)于N溝道增強(qiáng)型MOSFET來(lái)說(shuō)，VGS越大，門打開(kāi)的程度越大，圖5（b）所示的電阻就越小，漏極電流ID越大，于是就實(shí)現(xiàn)了柵電壓VGS控制漏極電流ID的transistor（跨阻）功能。

一言以蔽之：MOSFET依靠柵控門實(shí)現(xiàn)輸入電壓（VGS）對(duì)漏極電流（ID）控制的transistor（跨阻）功能。

功率MOSFET=平面MOSFET+RV，RV，電流垂直流動(dòng)區(qū)域的電阻，柵電壓有點(diǎn)兒鞭長(zhǎng)不及了。于是，減小RV是功率MOSFET追求的目標(biāo)，于是不斷有新結(jié)構(gòu)功率MOSFET結(jié)構(gòu)誕生，如UMOSFET、GD-MOSFET和SJ-MOSFET等等。

FET家族的其他家族成員，盡管柵極結(jié)構(gòu)不同，但核心工作機(jī)制依然是依靠柵控門實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)功能。下面再說(shuō)一說(shuō)集PET與FET于一身的IGBT。

04、IGBT——“控制門+滑梯”強(qiáng)化transistor效應(yīng)

IGBT的工作示意圖和等效電路如圖6所示：

（a）IGBT結(jié)構(gòu)示意圖

（b）MOSFET+PiN

（c）達(dá)林頓模式，圖6 IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖

從圖6（a）可知，為IGBT是集平面MOSFET、PiN二極管和PNP晶體管于一身的復(fù)合型器件。通態(tài)的工作模式如圖6（b）所示：MOSFET+PiN二極管的串聯(lián)，由柵電壓控制著平面MOSFET的漏極電流的大小。隨著VCE的增加，IGBT進(jìn)入MOSFET+PNP晶體管的達(dá)林頓模式，如圖6（c）所示。MOSFET的輸出電流作為PNP晶體管的輸入電流，依靠“柵控門+滑梯”的雙重作用，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的跨阻效應(yīng)。

05、一語(yǔ)道破天機(jī)——晶體管家族的核心工作機(jī)制

晶體管家族兩大分支具有不同的核心工作機(jī)制：

PET的核心工作機(jī)制是輸入電壓所控制的“滑梯”

FET的核心工作機(jī)制是“柵控門”

IGBT是PET與FET聯(lián)姻的結(jié)晶，則是集PET與FET的工作機(jī)制于一身——“柵控門+滑梯”。