分享一下從PN結(jié)到IGBT的機理，掌握基礎(chǔ)

“使用IGBT時，注重實用的工程師往往在不同技術(shù)路線的IGBT芯片上看得云里霧里。這里，就分享一下從PN結(jié)到IGBT的機理，掌握基礎(chǔ)，千變?nèi)f化不離其宗，性能變化就很容易記了

PN結(jié)

PN結(jié)是半導(dǎo)體的基礎(chǔ)，摻雜是半導(dǎo)體的靈魂，先明確知識點：

P型和N型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體摻雜三價元素，根據(jù)高中學(xué)的化學(xué)鍵穩(wěn)定性原理，會有 “空穴”容易導(dǎo)電，因此，這里空穴是“多子”即多數(shù)載流子，摻雜類型為P（positive）型；同理，摻雜五價元素，電子為“多子”，摻雜類型為N（negative）型

載流子：導(dǎo)電介質(zhì)，分為多子和少子，概念很重要，后邊會引用

“空穴”帶正電，電子帶負電，但摻雜后的半導(dǎo)體本身為電中性

P+和N+表示重度摻雜；P-和N-表示輕度摻雜

PN結(jié)原理如下圖，空穴和電子的擴散形成耗盡層，耗盡層的電場方向如圖所示：

二極管

PN結(jié)正偏：PN結(jié)加正向電壓，如下圖

此時P區(qū)多子“空穴”在電場的作用下向N區(qū)運動，N區(qū)多子電子相反，使耗盡層變窄至消失，正向?qū)щ奜K，也可以理解成外加電場克服耗盡層內(nèi)電場，實現(xiàn)導(dǎo)電，該電壓一般為0.7V或0.3V

二極管正向?qū)ǖ脑砑词侨绱?/p>

PN結(jié)反偏：PN結(jié)加反向電壓，如下圖

反偏時，多子在電場作用下運動使PN結(jié)加寬，電流不能通過，反向截止；

二極管反向截止的原理就是這樣

但是，此時少子在內(nèi)外電場的作用下移動，并且耗盡層電場方向使少子更容易通過PN結(jié)，形成漏電流。

得出重要結(jié)論，劃重點：

反偏時，多數(shù)載流子截止，少數(shù)載流子很容易通過，并且比正偏時多數(shù)載流子通過PN結(jié)還要輕松。

三極管

上邊說PN結(jié)反偏的時候，少數(shù)載流子可以輕易通過，形成電流，正常情況小少子的數(shù)量極少，反向電流可忽略不計。

現(xiàn)在我們就控制這個反向電流，通過往N區(qū)注入少子的方式，怎么注入，在N區(qū)下再加一個P區(qū)，并且使新加的PN結(jié)正偏，如下：

上圖中，發(fā)射結(jié)正偏，空穴大量進入基區(qū)，他們在基區(qū)身份仍然是少數(shù)載流子的身份，此時，如前所述，這些注入的少數(shù)載流子很容易通過反偏的PN結(jié)——集電結(jié)，到達集電極，形成集電極電流Ic

于是，我們課堂上背的三極管放大導(dǎo)通條件是<發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏>就非常容易理解了，上一張三極管的特性曲線

這里涉及了飽和區(qū)的問題

三極管工作在飽和區(qū)時Vce很小，有人說飽和區(qū)條件是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏，這很容易讓人誤解；發(fā)射結(jié)正偏導(dǎo)通沒問題，但集電結(jié)并沒有達到正偏導(dǎo)通，若集電結(jié)正偏導(dǎo)通，就跟兩個二極管放一起沒區(qū)別；集電結(jié)的正偏電壓阻礙基區(qū)少子向集電極漂移，正偏越厲害，少子向集電極運動越困難，即Ic越小，因此飽和狀態(tài)下的Ic是小于放大狀態(tài)下的βIb的，此時，管子呈現(xiàn)出很小的結(jié)電阻，即所謂的飽和導(dǎo)通

MOSFET

MOS管結(jié)構(gòu)原理：以N-MOS為例，a：P型半導(dǎo)體做襯底；b：上邊擴散兩個N型區(qū)，c：覆蓋SiO2絕緣層；在N區(qū)上腐蝕兩個孔，然后金屬化的方法在絕緣層和兩個孔內(nèi)做成三個電極：G（柵極）、D（漏極）、S（源極）

工作原理：一般襯底和源極短接在一起，Vds加正電壓，Vgs=0時，PN結(jié)反偏，沒有電流，Vgs加正電壓，P襯底上方感應(yīng)出負電荷， 與P襯底的多子（空穴）極性相反，被稱為反型層，并把漏源極N型區(qū)連接起來形成導(dǎo)電溝道，當(dāng)Vgs比較小時，負電荷與空穴中和，仍無法導(dǎo)電，當(dāng)Vgs超過導(dǎo)通閾值后，感應(yīng)的負電荷把N型區(qū)連接起來形成N溝道，開始導(dǎo)電。Vgs繼續(xù)增大，溝道擴大電阻降低，從而電流增大

為改善器件性能，出現(xiàn)了VMOS、UMOS等多種結(jié)構(gòu)，基本原理都一樣。

功率MOS：

下圖功率MOS結(jié)構(gòu)上可以稱VDMOS（vertical Double diffusion MOS垂直雙擴散MOS），工作原理如上所述，仔細看對分析IGBT的結(jié)構(gòu)有幫助哦！

插播：

不同MOS結(jié)構(gòu)名稱：

LDMOS：lateral double diffused MOSFET 水平雙擴散MOS

VDMOS：vertical double diffusion MOSFET垂直雙擴散MOS

VDMOS與LDMOS的不同是漏極在背面，垂直結(jié)構(gòu)

為克服平面柵的缺點，后邊發(fā)展了VMOS和UMOS（此思路同樣適用于IGBT）

IGBT

主角登場，以前說過，IGBT是MOS和BJT的復(fù)合器件，到底是怎么復(fù)合的，往下看

從結(jié)構(gòu)上看，IGBT與功率MOS的結(jié)構(gòu)非常類似，在背面增加P+注入層（injection layer）

與功率MOS相比

功率MOS：單一載流子“多子”導(dǎo)電

IGBT：增加P+注入層，向漂移區(qū)注入空穴，結(jié)構(gòu)上增加P+/N-的PN結(jié)，并且正偏，也就是增加了類似BJT結(jié)構(gòu)的三極管，于是就有兩種載流子參與導(dǎo)電，大大增加了效率。

得出IGBT的導(dǎo)電路徑：

由于上圖P阱與N-漂移區(qū)的PN結(jié)成反偏狀態(tài)，于是產(chǎn)生了JFET效應(yīng)，如下圖

于是，在上述IGBT結(jié)構(gòu)中，電子流通方向的電阻可用下圖表示，結(jié)合上邊描述，一目了然

為了減小上述電阻，并且提高柵極面積利用率，溝槽柵IGBT變成主流，作用效果如下圖

此外，為了提升IGBT耐壓，減小拖尾電流，在N –漂移區(qū)、背面工藝（減薄和注入）上下了不少功夫：

N-區(qū)下的功夫包含以下幾種：

PT：以高濃度的P+直拉單晶硅為起始材料，先生長一層摻雜濃度較高的N型緩沖層（N+buffer層），然后再繼續(xù)淀積輕摻雜的N-型外延層作為IGBT的漂移區(qū)，之后再在N-型外延層的表面形成P-base、N+ source作為元胞，最后根據(jù)需要減薄P型襯底

NPT：采用輕摻雜N- 區(qū)熔單晶硅作為起始材料，先在硅面的正面制作元胞并用鈍化層保護好，之后再將硅片減薄到合適厚度。最后在減薄的硅片背面注入硼，形成P+ collector

FS：以輕摻雜N- 區(qū)熔單晶硅作為起始材料，先在硅面的正面制作元胞并用鈍化層保護好，在硅片減薄之后，首先在硅片的背面注入磷，形成N+ 截止層, 最后注入硼，形成P+ collector

從上邊看，F(xiàn)S和PT結(jié)構(gòu)相似，但工藝流程不同，表現(xiàn)形式上性能差距較大

有了以上基礎(chǔ)知識后，再看IGBT芯片的發(fā)展史和帶來的性能變化，就能比較容易理解了，究竟結(jié)構(gòu)變化怎么帶來性能變化，本篇文章不在展開，有興趣可參考文末鏈接

審核編輯 ：李倩