作者簡介:關艷霞,沈陽工業(yè)大學副教授
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(金屬氧化物半導體場效應晶體管)無疑是廣為人知的明星器件。然而,當我們面對基于GaN(氮化鎵)材料的HEMT(高電子遷移率晶體管)技術時,可能會感到些許陌生。為了更全面地了解這一領域,讓我們對晶體管家族的譜系進行一次詳盡的梳理,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,即一端的電壓對另一端的電流有控制作用。經(jīng)典著作《半導體器件物理學》作者施敏先生稱這類器件為PET(勢效應晶體管)。
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)模集成電路的開發(fā)。經(jīng)過幾十年的繁衍,晶體管家族“人丁興旺”,尤其是FET(場效應晶體管)一族。從柵極的構成劃分,F(xiàn)ET可分為IGFET(絕緣柵極場效應晶體管)、JFET(結型門極場效應晶體管)和MESFET(肖特基場效應晶體管)。
第一只絕緣柵極場效應晶體管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體材料替代(HFET,異質結場效應晶體管)。
寬禁帶半導體可以是摻雜的,即MODFET/HEMT,也可以是不摻雜的,即HIGFET。如果柵極是由PN結構成的,那便是JFET(結型場效應晶體管)。如果柵極是由肖特基構成,那便是MESFET。
圖1 晶體管家族譜系
注解(1):在施敏著,半導體器件物理第三版225頁,施敏教授稱BJT為PET(the potential-effect transistor,勢效應晶體管)
盡管晶體管家族成員不斷增加,結構不盡相同,但其核心功能都是——transistor(“跨阻”),也可稱“跨導”。下面以BJT、MOSFET和IGBT為例,一語道破實現(xiàn)“跨阻”的天機——晶體管家族的核心工作機制。
02、BJT——由“滑梯”實現(xiàn)transistor功能
BJT的結構和符號如圖2所示,有npn和pnp兩種結構。中間部分稱為基區(qū),所連電極稱為基極,用b表示(base);一側稱為發(fā)射區(qū),所引電極稱為發(fā)射極,用e表示(emitter);另一側稱為集電區(qū)和集電極,用c表示(collector)。e-b間的pn結稱為發(fā)射結(Je),c-b間的pn結稱為集電結(Jc)。之所以隆重地介紹雙極晶體管的結構以及稱呼,是因為這些構件的功能是:聞其名,知其性。
圖2 BJT的結構與符號
發(fā)射結Je和集電結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Je在輸入端電壓VBE的作用下,發(fā)揮正偏PN結“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)的載流子憑借擴散運動(緩變基區(qū)晶體管也做漂移運動),流向集電結Jc,被集電結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)的電流輸運能力,基區(qū)的電流輸運能力取決于基區(qū)的少子濃度梯度(見圖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通過控制基區(qū)的少子濃度梯度,控制著集電極電流Ic,實現(xiàn)了跨導功能。
圖3 BJT工作原理示意圖
一言以蔽之:BJT的核心工作機制是:輸入電壓(VBE)在基區(qū)所搭建的載流子“滑梯”使發(fā)射結發(fā)射的載流子傳輸?shù)郊娊YJc,被其收集形成集電極電流Ic,實現(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。對于FET來說,無論是結構,還是工作機理都與PET不同,但FET家族中的器件,盡管結構也有所不同,但工作原理相近,下面以MOSFET為例,道破FET家族的核心工作機制。
03、MOSFET——由柵控門實現(xiàn)transistor功能
N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號如圖4所示。
圖4 MOSFET結構與符號
N溝道MOSFET制作在P襯底上,在P襯底上形成兩個N型區(qū),其中一個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結構,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”來控制?!皷趴亻T”就是由柵電壓所控制的一個勢壘。由圖4可知,MOSFET寄生著一個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)的電子能級高于N發(fā)射區(qū)和N集電區(qū)能級,于是就形成了一個阻隔著載流子的“門”。這個門的開、關,及開的程度由柵電壓VGS控制。通過柵極電壓(VGS)降低MOS結構半導體表面的勢壘,使表面形成反型層(N型層)——導電溝道,S與D之間的溝通之門被打開。
MOSFET的工作原理示意圖如圖5所示:
(a)MOSFET結構示意圖
(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打開了D、S溝通之門的MOSFET,于是MOSFET就成為了一個如圖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。對于N溝道增強型MOSFET來說,VGS越大,門打開的程度越大,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依靠柵控門實現(xiàn)輸入電壓(VGS)對漏極電流(ID)控制的transistor(跨阻)功能。
功率MOSFET=平面MOSFET+RV,RV,電流垂直流動區(qū)域的電阻,柵電壓有點兒鞭長不及了。于是,減小RV是功率MOSFET追求的目標,于是不斷有新結構功率MOSFET結構誕生,如UMOSFET、GD-MOSFET和SJ-MOSFET等等。
FET家族的其他家族成員,盡管柵極結構不同,但核心工作機制依然是依靠柵控門實現(xiàn)跨導功能。下面再說一說集PET與FET于一身的IGBT。
04、IGBT——“控制門+滑梯”強化transistor效應
IGBT的工作示意圖和等效電路如圖6所示:
(a)IGBT結構示意圖
(b)MOSFET+PiN
(c)達林頓模式,圖6 IGBT的結構示意圖
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進入MOSFET+PNP晶體管的達林頓模式,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,實現(xiàn)更強的跨阻效應。
05、一語道破天機——晶體管家族的核心工作機制
晶體管家族兩大分支具有不同的核心工作機制:
PET的核心工作機制是輸入電壓所控制的“滑梯”
FET的核心工作機制是“柵控門”
IGBT是PET與FET聯(lián)姻的結晶,則是集PET與FET的工作機制于一身——“柵控門+滑梯”。