功率MOSFET和IGBT的結(jié)構(gòu)和原理

功率MOSFET和IGBT是做在0.1到1.5平方厘米的芯片上，它的密度是每平方毫米250.000個(gè)單元(50 V功率MOS-FET)或者50.000單元(1200V IGBT)。

 
圖1 IGBT3的結(jié)構(gòu)

  于晶體管相同的概念，MOSFET和IGBT芯片區(qū)有相近的結(jié)構(gòu)。如圖2和圖3所示，基板是n-型半導(dǎo)體，在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)n-區(qū)必須接納空間電荷區(qū)。在n-型半導(dǎo)體上形成一個(gè)p導(dǎo)通型半導(dǎo)體環(huán)形槽，它摻雜濃度是中心(p+)，邊緣低(p-)。在環(huán)形槽上有一層n+型硅材料，它同MOSFET的源或者IGBT的發(fā)射相連接。在n+型硅材料上，通過一層薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，用n+型多晶建構(gòu)成區(qū)(基)。
  在微電子學(xué)中，如圖2或圖3所描述的形式，被稱為垂直結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥獠侩娏魇谴怪绷鬟^每個(gè)單元。在本章除個(gè)別例外的晶體管，只討論n溝道增強(qiáng)型元器件，既在p型導(dǎo)通的硅材料加上一個(gè)正的電壓和在導(dǎo)通溝道中電子作為載子(主要載流子)。在不加電壓時(shí)元器件處于截止?fàn)顟B(tài)(自閉晶體管)。另外類型的MOSFET是p溝道增強(qiáng)型(既在p型導(dǎo)通的硅材料加上一個(gè)負(fù)的電壓和在導(dǎo)通溝道中正離子作為主要載流子，有同樣的自閉晶體管特)，以及n型和p型耗盡型(耗盡型晶體管)。它們?cè)跊]有電壓時(shí)是導(dǎo)通狀態(tài)(自開晶體管)。通過電壓可在晶體管內(nèi)產(chǎn)生空間電荷區(qū)，用它來影響和切斷流通溝道。這種半導(dǎo)體元器件在實(shí)踐中有一些應(yīng)用，但在這里我們不討論這些類型。

圖2 功率MOSFET的垂直結(jié)構(gòu) a)流通圖 b)電工符號(hào)

圖3 功率MOSFET的垂直結(jié)構(gòu) a)流通圖 b)電工符號(hào)

  功率MOSFET和IGBT在結(jié)構(gòu)上的下同導(dǎo)致了能上的差異，zui大的不同之處就是第三(MOSFET稱漏，IGBT稱收集)的構(gòu)造。當(dāng)在柵和源(MOSFET)或發(fā)射(IGBT)加上正向電壓，就會(huì)在基下方中p型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一條n導(dǎo)通溝道。通過這條溝道電子流可以從源或者發(fā)射穿過n型漂移區(qū)流向底邊的電，空間電荷區(qū)就被減少。MOSFET元器件只有電子作為載流子，形成主要電流(漏電流)。在阻抗的n型漂流區(qū)沒有雙的載流子出現(xiàn)，所以MOSFET是一種單元器件。
  直到n-區(qū)MOSFET與IGBT有相同的結(jié)構(gòu)，它們的區(qū)別在第三。從而決定了各自下同的能，IGBT元器件是在底面用p+導(dǎo)通型半導(dǎo)體做收集。這就形成額外的n-型半導(dǎo)體和p+半導(dǎo)體之間新場阻層，它對(duì)IGBT有很大影響。
  流經(jīng)n-漂移區(qū)的電子在進(jìn)入p+區(qū)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正電荷的載流子(空穴)由p+區(qū)注入 n-區(qū)。這些被注入的空穴不但從漂移區(qū)流向發(fā)射的p區(qū)，也經(jīng)由溝道及n-區(qū)橫向流入發(fā)射。因此，在n-型漂移區(qū)內(nèi)充滿了空穴(少數(shù)載流子)，這種增加的載流子構(gòu)成了主電流(收集電流)的大部分。主電流又會(huì)使空間電荷區(qū)減少，從而使集電和發(fā)射的電壓差下降。與MOSFET不同，IGBT是一個(gè)雙元器件。
  因?yàn)樵谧杩沟膎-區(qū)充滿了少數(shù)載流子，這就會(huì)導(dǎo)致IGBT的通態(tài)壓降比MOBFET要低。這樣IGBT在同樣的面積就能比MOSFET承受的電壓和電流。但在關(guān)斷時(shí)這些少數(shù)載流子必須被從n-漂移區(qū)釋放掉或者被再結(jié)合，這就產(chǎn)生功耗。