IGBT技術(shù)：MOS管基礎(chǔ)及選型指南

MOS管基礎(chǔ)及選型指南

MOS管，即金屬（Metal）—氧化物（Oxide）—半導(dǎo)體（Semiconductor）場效應(yīng)晶體管，是一種應(yīng)用場效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體器件。

和普通雙極型晶體管相比，MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等優(yōu)勢，在開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領(lǐng)域得到了越來越普遍的應(yīng)用。

場效應(yīng)管分類 ? ? ?

場效應(yīng)管分為結(jié)型（JFET）和金屬-氧化物-半導(dǎo)體型（MOSFET）兩種類型。 JFET的英文全稱是Junction Field-Effect Transistor，也分為N溝道和P溝道兩種，在實際中幾乎不用。 MOSFET英文全稱是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，應(yīng)用廣泛，MOSFET一般稱MOS管。

MOS管是FET的一種（另一種為JFET結(jié)型場效應(yīng)管），主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：N溝道型和P溝道型。

根據(jù)場效應(yīng)原理的不同，分為耗盡型（當(dāng)柵壓為零時有較大漏極電流）和增強型（當(dāng)柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流）兩種。

因此，MOS管可以被制構(gòu)成P溝道增強型、P溝道耗盡型、N溝道增強型、N溝道耗盡型4種類型產(chǎn)品。 ? 一般主板上使用最多的是增強型MOS管，NMOS最多，一般多用在信號控制上，其次是PMOS，多用在電源開關(guān)等方面，耗盡型幾乎不用。

N和P區(qū)分 ? ? ?

每一個MOS管都提供有三個電極：Gate柵極（表示為“G”）、Source源極（表示為“S”）、Drain漏極（表示為“D”）。接線時，對于N溝道的電源輸入為D，輸出為S；P溝道的電源輸入為S，輸出為D；且增強型、耗盡型的接法基本一樣。

紅色箭頭指向G極的為NMOS，箭頭背向G極的為PMOS

寄生二極管 ? ? ?

由于生產(chǎn)工藝，一般的MOS管會有一個寄生二極管，有的也叫體二極管。

紅色標(biāo)注的為體二極管

從上圖可以看出NMOS和PMOS寄生二極管方向不一樣，NMOS是由S極→D極，PMOS是由D極→S極。

寄生二極管和普通二極管一樣，正接會導(dǎo)通，反接截止，對于NMOS，當(dāng)S極接正，D極接負(fù)，寄生二極管會導(dǎo)通，反之截止；對于PMOS管，當(dāng)D極接正，S極接負(fù)，寄生二極管導(dǎo)通，反之截止。

某些應(yīng)用場合，也會選擇走體二極管，以降低DS之間的壓降（體二極管的壓降是比MOS的導(dǎo)通壓降大很多的），同時也要關(guān)注體二極管的過電流能力。

當(dāng)滿足MOS管的導(dǎo)通條件時，MOS管的D極和S極會導(dǎo)通，這個時候體二極管是截止?fàn)顟B(tài)，因為MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻極小，一般mΩ級別，流過1A級別的電流，也才mV級別，所以D極和S極之間的導(dǎo)通壓降很小，不足以使寄生二極管導(dǎo)通，這點需要特別注意。

MOS管工作原理（以N溝道增強型為例） ? ? ?

N溝道增強型MOS管在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極（漏極D、源極S）；在源極和漏極之間的SiO2絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G；P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以NMOS又被稱為絕緣柵型場效應(yīng)管。

當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時，由于漏極和源極兩個N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達1012Ω，即D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無論在漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產(chǎn)生漏極電流ID。

N溝道增強型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即VGS＞0時，如上圖所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。

如果進一步提高VGS電壓，使VGS達到某一電壓VT時，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如下圖所示。

反型層將漏極D和源極S兩個N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)電溝道所需的VGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用VGS（th）表示。顯然，只有VGS＞VGS（th）時才有溝道，而且VGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強；“增強型”一詞也由此得來。

耗盡層與反型層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)示意圖

在VGS＞VGS（th）的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓VDS，導(dǎo)電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓VGD最小，其值為VGD=VGS－VDS，相應(yīng)的溝道最??；靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于VGS，相應(yīng)的溝道最厚。

這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

當(dāng)VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS（th）時，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如下圖（a）所示。繼續(xù)增大VDS[即VDS＞VGS－VGS（th）]，夾斷點向源極方向移動，如下圖（b）所示。

盡管夾斷點在移動，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點）的電壓降保持不變，仍等于VGS－VGS（th）。因此，VDS多余部分電壓[VDS－（VGS－VGS（th））]全部降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達夾斷區(qū)邊緣時，受夾斷區(qū)強電場的作用，會很快的漂移到漏極。

預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

導(dǎo)通條件 ? ? ? ? MOS管是壓控型，導(dǎo)通由G和S極之間壓差決定。

對NMOS來說，Vg-Vs>Vgs(th)，即G極和S極的壓差大于一定值，MOS管會導(dǎo)通，但是也不能大太多，否則燒壞MOS管，開啟電壓和其他參數(shù)可以看具體器件的SPEC。 ?

對PMOS來說，Vs-Vg>Vgs(th)，即S極和G極的壓差大于一定值，MOS管會導(dǎo)通，同樣的，具體參數(shù)看器件的SPEC。

與三極管的區(qū)別 ? ? ?

三極管是電流控制，MOS管是電壓控制，主要有如下的區(qū)別：

1、只容許從信號源取少量電流的情況下，選用MOS管；在信號電壓較低，有容許從信號源取較多電流的條件下，選用三極管。

2、MOS管是單極性器件（靠一種多數(shù)載流子導(dǎo)電），三極管是雙極性器件（既有多數(shù)載流子，也要少數(shù)載流子導(dǎo)電）。

3、有些MOS管的源極和漏極可以互換運用，柵極也可正可負(fù)，靈活性比三極管好。

4、MOS管應(yīng)用普遍，可以在很小電流和很低電壓下工作。

5、MOS管輸入阻抗大，低噪聲，MOS管較貴，三極管的損耗大。

6、MOS管常用來作為電源開關(guān)，以及大電流開關(guān)電路、高頻高速電路中，三極管常用來數(shù)字電路開關(guān)控制。

G和S極串聯(lián)電阻的作用 ? ? ?

MOS管的輸入阻抗很大，容易受到外界信號的干擾，只要少量的靜電，就能使G-S極間等效電容兩端產(chǎn)生很高的電壓，如果不及時把靜電釋放掉，兩端的高壓容易使MOS管產(chǎn)生誤動作，甚至有可能擊穿G-S極，起到一個固定電平的作用。

G極串聯(lián)電阻的作用 ? ? ?

MOS管是壓控型，有的情況下，為什么還需要在G極串聯(lián)一個電阻呢？ 1、減緩Rds從無窮大到Rds(on)。 2、防止震蕩，一般單片機的I/O輸出口都會帶點雜散電感，在電壓突變的情況下，可能與柵極電容形成LC震蕩，串聯(lián)電阻可以增大阻尼減小震蕩效果。 3、減小柵極充電峰值電流。

選型要點 ? ? ?

1、電壓值 關(guān)注Vds最大導(dǎo)通電壓和Vgs最大耐壓，實際使用中，不能超過這個值，否則MOS管會損壞。

關(guān)注導(dǎo)通電壓Vgs(th)，一般MOS管都是用單片機進行控制，根據(jù)單片機GPIO的電平來選擇合適導(dǎo)通閾值的MOS管，并且盡量留有一定的余量，以確保MOS可以正常開關(guān)。

2、電流值 關(guān)注ID電流，這個值代表了NMOS管的能流過多大電流，反應(yīng)帶負(fù)載的能力，超過這個值，MOS管也會損壞。

3、功率損耗 功率損耗需要關(guān)注以下幾個參數(shù)，包括熱阻、溫度。熱阻指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位是℃/W或者是K/W，熱阻的公式為ThetaJA = (Tj-Ta)/P，和功率和環(huán)境溫度都有關(guān)系。

4、導(dǎo)通內(nèi)阻

導(dǎo)通內(nèi)阻關(guān)注NMOS的Rds(on)參數(shù)，導(dǎo)通內(nèi)阻越小，NMOS管的損耗越小，一般NMOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻都是在mΩ級別。

5、開關(guān)時間

MOS作為開關(guān)器件，就會有開關(guān)時間概念，在高速電路中，盡可能選擇輸入、輸出電容Ciss&Coss小、開關(guān)時間Ton&Toff短的MOS管，以保證數(shù)據(jù)通信正常。

6、封裝

根據(jù)PCB板的尺寸，選擇合適的NMOS管尺寸，在板載面積有限的情況下，盡可能選擇小封裝；盡量選擇常見封裝，以備后續(xù)選擇合適的替代料

IGBT技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)知識

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），是由 BJT(雙極結(jié)型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導(dǎo)體器件，其具有自關(guān)斷的特征。簡單講，是一個非通即斷的開關(guān)。 ? IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當(dāng)做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點，如驅(qū)動功率小和飽和壓降低等。 ? ? IGBT模塊是由IGBT與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點。 ? ? IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，是電力電子裝置的“CPU” 。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。 ? IGBT是以GTR為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動元件的達林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。其外部有三個電極，分別為G-柵極，C-集電極，E-發(fā)射極。 ? 在IGBT使用過程中，可以通過控制其集-射極電壓UCE和柵-射極電壓UGE的大小，從而實現(xiàn)對IGBT導(dǎo)通/關(guān)斷/阻斷狀態(tài)的控制。 1）當(dāng)IGBT柵-射極加上加0或負(fù)電壓時，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)。 ? 2）當(dāng)集-射極電壓UCE＜0時，J3的PN結(jié)處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。 ? 3）當(dāng)集-射極電壓UCE＞0時，分兩種情況： ? ①若柵-射極電壓UGE＜Uth，溝道不能形成，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。 ②若柵-射極電壓UGE＞Uth ，柵極溝道形成，IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)（正常工作）。此時，空穴從P+區(qū)注入到N基區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制，減少N基區(qū)電阻RN的值，使IGBT通態(tài)壓降降低。 IGBT各世代的技術(shù)差異

回顧功率器件過去幾十年的發(fā)展，1950-60年代雙極型器件SCR,GTR,GTO，該時段的產(chǎn)品通態(tài)電阻很??；電流控制，控制電路復(fù)雜且功耗大；1970年代單極型器件VD-MOSFET。但隨著終端應(yīng)用的需求，需要一種新功率器件能同時滿足：驅(qū)動電路簡單,以降低成本與開關(guān)功耗、通態(tài)壓降較低，以減小器件自身的功耗。1980年代初,試圖把MOS與BJT技術(shù)集成起來的研究，導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。

1985年前后美國GE成功試制工業(yè)樣品（可惜后來放棄）。自此以后， IGBT主要經(jīng)歷了6代技術(shù)及工藝改進。 ? 從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個發(fā)展方向：

1）IGBT縱向結(jié)構(gòu)：非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型；2）IGBT柵極結(jié)構(gòu)：平面柵機構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；3）硅片加工工藝：外延生長技術(shù)、區(qū)熔硅單晶； ? 其發(fā)展趨勢是：①降低損耗 ②降低生產(chǎn)成本

總功耗＝ 通態(tài)損耗 (與飽和電壓 VCEsat有關(guān))+開關(guān)損耗 (Eoff Eon)。同一代技術(shù)中通態(tài)損耗與開關(guān)損耗兩者相互矛盾,互為消長。 ? IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連 兩方面改進。模塊技術(shù)發(fā)展趨勢： ?

無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術(shù)；

內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

? IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域

作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，IGBT已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、 4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。 1）新能源汽車 ? IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT主要應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域中以下幾個方面：

A）電動控制系統(tǒng) 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動汽車電機；B）車載空調(diào)控制系統(tǒng) 小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD；C）充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關(guān)元件使用； 2）智能電網(wǎng) IGBT廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端：

從發(fā)電端來看，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。

從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)需要大量使用IGBT等功率器件。

從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。

從用電端來看，家用白電、 微波爐、 LED照明驅(qū)動等都對IGBT有大量的需求。

3）軌道交通

IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關(guān)鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。
IGBT國內(nèi)外市場規(guī)模

2015年國際IGBT市場規(guī)模約為48億美元，預(yù)計到2020年市場規(guī)?？梢赃_到80億美元，年復(fù)合增長率約10%。2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場的1∕3。預(yù)計2020年中國IGBT市場規(guī)模將超200億元，年復(fù)合增長率約為15%。

從公司來看，國外研發(fā)IGBT器件的公司主要有英飛凌、 ABB、三菱、西門康、東芝、富士等。中國功率半導(dǎo)體市場占世界市場的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，90％主要依賴進口，基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。 國外企業(yè)如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600V-6500V，電流2A-3600A，已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列。 ? 英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級的工業(yè)IGBT領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢；在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術(shù)領(lǐng)域幾乎處于壟斷地位。在大功率溝槽技術(shù)方面，英飛凌與三菱公司處于國際領(lǐng)先水平。 ? 西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級的消費IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位。 盡管我國擁有最大的功率半導(dǎo)體市場，但是目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)與國際大公司相比還存在很大差距，特別是IGBT等高端器件差距更加明顯。核心技術(shù)均掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中，IGBT技術(shù)集成度高的特點又導(dǎo)致了較高的市場集中度。跟國內(nèi)廠商相比，英飛凌、 三菱和富士電機等國際廠商占有絕對的市場優(yōu)勢。形成這種局面的原因主要是： ?

國際廠商起步早，研發(fā)投入大，形成了較高的專利壁壘。

國外高端制造業(yè)水平比國內(nèi)要高很多，一定程度上支撐了國際廠商的技術(shù)優(yōu)勢。

? 中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術(shù)處于劣勢的局面，特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破，改變目前功率器件領(lǐng)域封裝強于芯片的現(xiàn)狀。

總的來說，在技術(shù)差距方面有：高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術(shù)壁壘較強；IGBT芯片設(shè)計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中。 ? 近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發(fā)展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈，IGBT國產(chǎn)化的進程加快，有望擺脫進口依賴。 ? 受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等各種利好措施，IGBT市場將引來爆發(fā)點。希望國產(chǎn)IGBT企業(yè)能從中崛起。 ?

編輯：黃飛

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