MOS管、三极管、IGBT之间的因果关系 区别与联系最全解析

大家都知(zhi)道MOS管、三极管、IGBT的(de)标(biao)准定(ding)义(yi)，但是很(hen)少有人(ren)详细地(di)、系统地(di)从这句(ju)话抽丝剥茧，一层一层地(di)分析为(wei)什(shen)(shen)(shen)么(me)定(ding)义(yi)里说IGBT是由BJT和(he)MOS组(zu)成的(de)，它们之(zhi)间有什(shen)(shen)(shen)么(me)区别(bie)和(he)联系，在应用的(de)时候(hou)(hou)(hou)，什(shen)(shen)(shen)么(me)时候(hou)(hou)(hou)能选(xuan)(xuan)择(ze)IGBT、什(shen)(shen)(shen)么(me)时候(hou)(hou)(hou)选(xuan)(xuan)择(ze)BJT、什(shen)(shen)(shen)么(me)时候(hou)(hou)(hou)又选(xuan)(xuan)择(ze)MOSFET管。这些问题其实并非很(hen)难，你(ni)跟着我看下去，就能窥见其区别(bie)及(ji)联系。

MOS管、三极管、IGBT之间的关系

PN结：从PN结说(shuo)起(qi)

PN结(jie)是半导体的基础，掺杂是半导体的灵魂，先明(ming)确几点(dian)：

1、P型(xing)(xing)和N型(xing)(xing)半导体(ti)： 本征半导体(ti)掺(chan)杂三价(jia)元(yuan)素，根(gen)据高中学的(de)化学键稳定(ding)性原理，会有 “空穴(xue)”容易导电，因此(ci)，这里空穴(xue)是“多子(zi)”即多数载流子(zi)，掺(chan)杂类型(xing)(xing)为(wei)P（positive）型(xing)(xing)；同理，掺(chan)杂五(wu)价(jia)元(yuan)素，电子(zi)为(wei)“多子(zi)”，掺(chan)杂类型(xing)(xing)为(wei)N（negative）型(xing)(xing)。

2、载流子(zi)(zi)：导电介(jie)质，分为多子(zi)(zi)和(he)少子(zi)(zi)，概念很重要，后(hou)边会引用

3、空穴”带正电，电子(zi)带负(fu)电，但掺杂后的半导(dao)体(ti)本身为(wei)电中(zhong)性(xing)

4、P+和N+表示重(zhong)度掺杂(za)；P-和N-表示轻(qing)度掺杂(za)

PN结原理如下图，空穴和电(dian)子的(de)扩(kuo)散形成耗尽(jin)层，耗尽(jin)层的(de)电(dian)场(chang)方向(xiang)如图所示(shi)：

（一）二极管

PN结正偏(pian)：PN结加正向电压(ya)，如下图

此(ci)时P区(qu)多子(zi)“空穴”在电(dian)场(chang)的作用下向(xiang)N区(qu)运动，N区(qu)多子(zi)电(dian)子(zi)相反，使耗(hao)尽层变窄至消失(shi)，正向(xiang)导电(dian)OK，也可以理解成(cheng)外加(jia)电(dian)场(chang)克(ke)服耗(hao)尽层内电(dian)场(chang)，实现导电(dian)，该电(dian)压一(yi)般为(wei)0.7V或0.3V。二极(ji)管(guan)正向(xiang)导通的原(yuan)理即是如此。

PN结反(fan)偏：PN结加反(fan)向电(dian)压，如(ru)下(xia)图：

反偏时，多子在电场作用下运动使PN结加宽，电流不能通过，反向截止；二极管反向截止(zhi)的(de)原(yuan)理就是这样。但(dan)是，此(ci)时少子在(zai)内外电场的(de)作用下移动，并且耗尽层电场方(fang)向使少子更容易(yi)通过PN结(jie)，形成漏电流。得(de)出重(zhong)要结(jie)论，划(hua)重(zhong)点：反偏时，多数载(zai)流(liu)子截止，少数载(zai)流(liu)子很容易通(tong)过(guo)(guo)，并且比正偏时多数载(zai)流(liu)子通(tong)过(guo)(guo)PN结(jie)还(hai)要轻松。

（二）三极管

上边说PN结反偏(pian)的(de)时(shi)候(hou)，少(shao)(shao)数载流(liu)子可以轻易通过，形成电流(liu)，正常情况小少(shao)(shao)子的(de)数量极少(shao)(shao)，反向电流(liu)可忽略不计。

现在(zai)(zai)我们就控(kong)制这个反向电流，通(tong)过往(wang)N区(qu)注(zhu)入少子(zi)的(de)方式，怎(zen)么注(zhu)入，在(zai)(zai)N区(qu)下(xia)再加(jia)一个P区(qu)，并且(qie)使新加(jia)的(de)PN结(jie)正偏，如下(xia)：

上图中，发(fa)射结(jie)正(zheng)偏，空穴(xue)大(da)量进入基区，他(ta)们在基区身份(fen)(fen)仍然是少(shao)数(shu)(shu)载流子的身份(fen)(fen)，此(ci)时(shi)，如(ru)前所述，这些注入的少(shao)数(shu)(shu)载流子很容易(yi)通过(guo)反(fan)偏的PN结(jie)——集电(dian)(dian)结(jie)，到(dao)达集电(dian)(dian)极(ji)，形(xing)成集电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)流Ic。

于是(shi)，我们课(ke)堂上背(bei)的(de)三(san)(san)极(ji)管(guan)放(fang)大导(dao)通条件是(shi)<发射结正偏，集电结反偏>就非常容易理解(jie)了，上一张三(san)(san)极(ji)管(guan)的(de)特性曲线。

这(zhei)里(li)涉及了饱(bao)(bao)和(he)区(qu)的问(wen)题(ti)(ti)，三(san)极(ji)管工(gong)作(zuo)在饱(bao)(bao)和(he)区(qu)时Vce很(hen)小(xiao)，有人(ren)说饱(bao)(bao)和(he)区(qu)条件(jian)是发射(she)结(jie)(jie)正(zheng)偏，集(ji)电(dian)(dian)结(jie)(jie)也正(zheng)偏，这(zhei)很(hen)容易让人(ren)误解(jie)；发射(she)结(jie)(jie)正(zheng)偏导通没(mei)问(wen)题(ti)(ti)，但集(ji)电(dian)(dian)结(jie)(jie)并没(mei)有达(da)到正(zheng)偏导通，若集(ji)电(dian)(dian)结(jie)(jie)正(zheng)偏导通，就跟两个(ge)二极(ji)管放(fang)一(yi)起没(mei)区(qu)别；集(ji)电(dian)(dian)结(jie)(jie)的正(zheng)偏电(dian)(dian)压阻(zu)(zu)碍基区(qu)少子向(xiang)集(ji)电(dian)(dian)极(ji)漂移，正(zheng)偏越(yue)厉(li)害，少子向(xiang)集(ji)电(dian)(dian)极(ji)运动越(yue)困难，即Ic越(yue)小(xiao)，因(yin)此饱(bao)(bao)和(he)状态下的Ic是小(xiao)于放(fang)大状态下的βIb的，此时，管子呈现出很(hen)小(xiao)的结(jie)(jie)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)，即所谓的饱(bao)(bao)和(he)导通。

（三）MOS管

MOS管(guan)结(jie)构原理：以(yi)N-MOS为例，a：P型半导(dao)体做(zuo)衬(chen)底(di)；b：上边(bian)扩散两个N型区(qu)，c：覆盖(gai)SiO2绝(jue)缘层(ceng)；在N区(qu)上腐(fu)蚀两个孔(kong)，然(ran)后金属化的方法在绝(jue)缘层(ceng)和两个孔(kong)内做(zuo)成三个电(dian)极(ji)(ji)：G（栅(zha)极(ji)(ji)）、D（漏极(ji)(ji)）、S（源极(ji)(ji)）。

工作(zuo)原(yuan)理(li)：一(yi)般衬底(di)和(he)源极(ji)短接在一(yi)起，Vds加正电(dian)(dian)(dian)压，Vgs=0时，PN结(jie)反偏，没(mei)有电(dian)(dian)(dian)流，Vgs加正电(dian)(dian)(dian)压，P衬底(di)上(shang)方感(gan)应(ying)出负电(dian)(dian)(dian)荷(he)， 与(yu)(yu)P衬底(di)的(de)多子（空(kong)穴(xue)）极(ji)性相反，被(bei)称为反型(xing)层，并把漏源极(ji)N型(xing)区连接起来形成导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道(dao)，当(dang)Vgs比(bi)较小时，负电(dian)(dian)(dian)荷(he)与(yu)(yu)空(kong)穴(xue)中和(he)，仍无(wu)法导(dao)电(dian)(dian)(dian)，当(dang)Vgs超过(guo)导(dao)通阈值后，感(gan)应(ying)的(de)负电(dian)(dian)(dian)荷(he)把N型(xing)区连接起来形成N沟道(dao)，开始导(dao)电(dian)(dian)(dian)。Vgs继续增(zeng)大(da)，沟道(dao)扩大(da)电(dian)(dian)(dian)阻降低，从而电(dian)(dian)(dian)流增(zeng)大(da)

为(wei)改善(shan)器(qi)件性能，出现了VMOS、UMOS等多种结构，基本原理(li)都一样。

（四）IGBT

IGBT是MOS和BJT的(de)复合器件，到底是怎么(me)复合的(de)，往下看。从(cong)结(jie)构上看，IGBT与功率MOS的(de)结(jie)构非常类似，在背(bei)面增加(jia)P+注入(ru)层（injection layer）。

得出IGBT的导(dao)电路径：

由于上图P阱(jing)与N-漂移区(qu)的PN结成反偏(pian)状态，于是(shi)产(chan)生(sheng)了JFET效应(ying)，如下图。

于是，在上述IGBT结(jie)构中，电(dian)(dian)子流通方向的电(dian)(dian)阻可用(yong)下(xia)图表示，结(jie)合(he)上边描述，一目了然。

为(wei)了减小上述电阻，并且提高栅极面(mian)积利用率，沟槽栅IGBT变成主流，作用效果(guo)如下图。

此外，为(wei)了提升IGBT耐(nai)压(ya)，减(jian)小拖(tuo)尾电流(liu)，在N –漂移(yi)区、背面工艺(yi)（减(jian)薄和注入）上(shang)下了不(bu)少(shao)功夫：

N-区(qu)下的功(gong)夫包含以下几种(zhong)：

1、PT：以(yi)高(gao)浓度(du)的(de)(de)P+直(zhi)拉(la)单(dan)晶硅为起(qi)始(shi)材料(liao)，先生长一层(ceng)(ceng)掺杂浓度(du)较(jiao)高(gao)的(de)(de)N型缓冲层(ceng)(ceng)（N+buffer层(ceng)(ceng)），然(ran)后(hou)再继续淀积轻掺杂的(de)(de)N-型外延(yan)层(ceng)(ceng)作为IGBT的(de)(de)漂移区(qu)，之后(hou)再在N-型外延(yan)层(ceng)(ceng)的(de)(de)表面形(xing)成(cheng)P-base、N+ source作为元胞，最后(hou)根据需要(yao)减薄P型衬(chen)底。

2、NPT：采用轻掺杂N- 区熔(rong)单晶硅(gui)作(zuo)为起(qi)始(shi)材料，先在硅(gui)面的正面制(zhi)作(zuo)元胞(bao)并用钝化(hua)层保护(hu)好(hao)，之后再(zai)将硅(gui)片减薄到合适(shi)厚度(du)。最后在减薄的硅(gui)片背面注入硼，形成(cheng)P+ collector。

3、FS：以轻掺杂N- 区熔(rong)单(dan)晶硅作(zuo)为起始材料，先在硅面的正面制作(zuo)元胞(bao)并(bing)用钝化层保护(hu)好，在硅片减薄之后，首先在硅片的背(bei)面注入磷，形成N+ 截止层, 最后注入硼(peng)，形成P+ collector。

三极管，MOSFET, IGBT的区别？
为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件？

要搞(gao)清(qing)楚IGBT、BJT、MOSFET之间的关(guan)系(xi)，就必须对这三者的内部结构和(he)工作原理有大致的了(le)解。

BJT

双极性晶体管(guan)，俗称三极管(guan)。内(nei)部结构(gou)（以PNP型BJT为例）如下图所示。

BJT内部结(jie)构及符(fu)号

双(shuang)极性即(ji)意(yi)味(wei)着器件(jian)内部有空(kong)穴和电子两(liang)(liang)种(zhong)(zhong)载流子参(can)与导电，BJT既(ji)然(ran)叫双(shuang)极性晶体管(guan)，那(nei)其内部也(ye)必然(ran)有空(kong)穴和载流子，理(li)解(jie)这两(liang)(liang)种(zhong)(zhong)载流子的运动是(shi)理(li)解(jie)BJT工作原理(li)的关(guan)键。

由于图中 e（发(fa)(fa)射(she)极(ji)）的(de)(de)(de)(de)P区(qu)空(kong)穴(xue)浓度要(yao)大于b（基极(ji)）的(de)(de)(de)(de)N区(qu)空(kong)穴(xue)浓度，因此会发(fa)(fa)生(sheng)空(kong)穴(xue)的(de)(de)(de)(de)扩散(san)，即空(kong)穴(xue)从P区(qu)扩散(san)至N区(qu)。同理，e（发(fa)(fa)射(she)极(ji)）的(de)(de)(de)(de)P区(qu)电子浓度要(yao)小于b（基极(ji)）的(de)(de)(de)(de)N区(qu)电子浓度，所以电子也会发(fa)(fa)生(sheng)从N区(qu)到P区(qu)的(de)(de)(de)(de)扩散(san)运(yun)动。

这(zhei)种运动最终会(hui)造成(cheng)在发射结上出现(xian)一个从N区指(zhi)向(xiang)P区的电(dian)场，即内(nei)建(jian)(jian)电(dian)场。该电(dian)场会(hui)阻止P区空(kong)穴继续(xu)向(xiang)N区扩散。倘若我们在发射结添加一个正偏电(dian)压（p正n负），来减(jian)弱内(nei)建(jian)(jian)电(dian)场的作用，就能使得空(kong)穴能继续(xu)向(xiang)N区扩散。

扩(kuo)散至N区的(de)空穴一部分(fen)与N区的(de)多数(shu)载流(liu)子——电(dian)子发(fa)生(sheng)复(fu)合，另一部分(fen)在集(ji)电(dian)结反偏（p负(fu)n正）的(de)条(tiao)件下(xia)通过漂(piao)移抵(di)达集(ji)电(dian)极，形成集(ji)电(dian)极电(dian)流(liu)。

值(zhi)得注(zhu)意的(de)(de)是，N区本身的(de)(de)电子(zi)在被来自P区的(de)(de)空穴复合之后，并不(bu)会(hui)出现N区电子(zi)不(bu)够的(de)(de)情(qing)况，因为b电极（基极）会(hui)提供源(yuan)源(yuan)不(bu)断的(de)(de)电子(zi)以保证上述过程能够持续(xu)进(jin)行。这部分的(de)(de)理解对后面了解IGBT与BJT的(de)(de)关系(xi)有(you)很大帮助。

MOSFET

金属-氧化(hua)物-半导体场效(xiao)(xiao)应(ying)晶(jing)(jing)体管，简称场效(xiao)(xiao)晶(jing)(jing)体管。内部结(jie)构（以(yi)N-MOSFET为例）如下(xia)图(tu)所示。

MOSFET内部结构及符号(hao)

在P型半导(dao)体衬底(di)上制(zhi)作两(liang)个(ge)N+区(qu)(qu)，一(yi)个(ge)称为(wei)源(yuan)(yuan)区(qu)(qu)，一(yi)个(ge)称为(wei)漏区(qu)(qu)。漏、源(yuan)(yuan)之间(jian)是横向距离沟(gou)道区(qu)(qu)。在沟(gou)道区(qu)(qu)的(de)(de)表面(mian)上，有一(yi)层(ceng)由(you)热氧(yang)化生成的(de)(de)氧(yang)化层(ceng)作为(wei)介质，称为(wei)绝缘栅(zha)。在源(yuan)(yuan)区(qu)(qu)、漏区(qu)(qu)和绝缘栅(zha)上蒸发一(yi)层(ceng)铝作为(wei)引出电极(ji)，就是源(yuan)(yuan)极(ji)(S)、漏极(ji)(D)和栅(zha)极(ji)(G)。

MOSFET管是压(ya)控(kong)器(qi)件，它的导通关断受到栅(zha)极(ji)(ji)电(dian)(dian)压(ya)的控(kong)制。我们从图上观察，发(fa)现N-MOSFET管的源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)S和(he)漏(lou)极(ji)(ji)D之间(jian)存(cun)在两(liang)个背靠背的pn结，当栅(zha)极(ji)(ji)-源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)电(dian)(dian)压(ya)VGS不加电(dian)(dian)压(ya)时(shi)，不论漏(lou)极(ji)(ji)-源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)电(dian)(dian)压(ya)VDS之间(jian)加多大(da)或什(shen)么极(ji)(ji)性的电(dian)(dian)压(ya)，总有一个pn结处于反偏状态，漏(lou)、源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)间(jian)没(mei)有导电(dian)(dian)沟道，器(qi)件无法导通。

但如果VGS正(zheng)向足够大，此时栅(zha)极(ji)G和衬底(di)p之间的绝缘层中(zhong)会产生一(yi)个电场，方向从栅(zha)极(ji)指向衬底(di)，电子在(zai)该电场的作(zuo)用下(xia)聚集在(zai)栅(zha)氧下(xia)表面，形成一(yi)个N型(xing)薄层(一(yi)般为几(ji)个nm)，连通(tong)(tong)左右两个N+区，形成导通(tong)(tong)沟道，如图中(zhong)黄色区域所示。当VDS＞0V时，N-MOSFET管(guan)导通(tong)(tong)，器件工(gong)作(zuo)。

IGBT

IGBT的结(jie)构图(tu)

IGBT内部结(jie)构及符号(hao)

黄(huang)色色块(kuai)表示(shi)IGBT导通时形(xing)成(cheng)的(de)沟道。首先看黄(huang)色虚线(xian)部分，细看之下是不是有一丝熟悉之感？

这(zhei)部分结构和工(gong)作原理(li)实(shi)质上和上述的(de)N-MOSFET是一样的(de)。当VGE>0V，VCE>0V时(shi)，IGBT表面同样会(hui)形成沟道，电子从(cong)n区出发、流经沟道区、注入n漂(piao)移区，n漂(piao)移区就类似(si)于N-MOSFET的(de)漏(lou)极(ji)。

蓝色虚线部分同理于BJT结构，流入n漂移(yi)区的(de)电(dian)子为PNP晶体(ti)管的(de)n区持续(xu)提供电(dian)子，这就保证了(le)PNP晶体(ti)管的(de)基极电(dian)流。我们(men)给它外加(jia)正(zheng)向偏压VCE，使PNP正(zheng)向导(dao)通，IGBT器件正(zheng)常工(gong)作。

这就是定义中为什么(me)说IGBT是由(you)BJT和MOSFET组成的器件的原因。

此外(wai)，图中(zhong)(zhong)我还(hai)标了一个(ge)红(hong)色部(bu)分，这部(bu)分在(zai)定义当中(zhong)(zhong)没(mei)有被提及的(de)(de)(de)原因(yin)(yin)在(zai)于它实(shi)际(ji)上是(shi)个(ge)npnp的(de)(de)(de)寄生(sheng)晶(jing)闸管(guan)结(jie)构，这种结(jie)构对(dui)IGBT来(lai)说是(shi)个(ge)不希望存在(zai)的(de)(de)(de)结(jie)构，因(yin)(yin)为(wei)寄生(sheng)晶(jing)闸管(guan)在(zai)一定的(de)(de)(de)条件下会发生(sheng)闩锁，让IGBT失去栅控能力，这样(yang)IGBT将(jiang)无法(fa)自行关断，从而导致IGBT的(de)(de)(de)损坏。

IGBT和BJT、MOSFET之间的故事

BJT出(chu)现(xian)在MOSFET之前，而MOSFET出(chu)现(xian)在IGBT之前，所以我们从中间(jian)者(zhe)MOSFET的出(chu)现(xian)来阐述三者(zhe)的因果故事(shi)。

MOSFET的(de)(de)出现可以追溯到(dao)20世(shi)纪(ji)30年代初。德国(guo)科(ke)学家Lilienfeld于1930年提出的(de)(de)场效(xiao)应(ying)晶体管(guan)(guan)概念吸引了许多该领域科(ke)学家的(de)(de)兴(xing)趣，贝尔实验室的(de)(de)Bardeem和Brattain在1947年的(de)(de)一(yi)次(ci)场效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)发明尝试中，意外发明了电接触双极晶体管(guan)(guan)（BJT）。

两年(nian)后，同样(yang)来自贝尔实(shi)验(yan)室的Shockley用少子(zi)注入(ru)理论阐明了(le)BJT的工作原理，并提出了(le)可实(shi)用化的结型晶(jing)体管(guan)概念。

发展到现在(zai)，MOSFET主要应(ying)用于中(zhong)小(xiao)(xiao)功(gong)率场合如电(dian)(dian)脑(nao)功(gong)率电(dian)(dian)源、家用电(dian)(dian)器等，具有门极输(shu)入阻抗(kang)高、驱动功(gong)率小(xiao)(xiao)、电(dian)(dian)流关断(duan)能力强、开(kai)关速(su)度快(kuai)、开(kai)关损耗小(xiao)(xiao)等优点。

随着下(xia)游应用(yong)发展越来越快，MOSFET的电(dian)流(liu)能(neng)力显(xian)然已经(jing)(jing)不能(neng)满足市场需求。为了在保(bao)留(liu)MOSFET优点的前(qian)提下(xia)降(jiang)低器(qi)件的导(dao)通(tong)(tong)电(dian)阻，人们曾(ceng)经(jing)(jing)尝试通(tong)(tong)过提高(gao)(gao)MOSFET衬底(di)的掺(chan)杂浓(nong)度以(yi)降(jiang)低导(dao)通(tong)(tong)电(dian)阻，但衬底(di)掺(chan)杂的提高(gao)(gao)会(hui)降(jiang)低器(qi)件的耐(nai)压。这显(xian)然不是理想的改(gai)进办法。

但是如果在MOSFET结(jie)构(gou)的(de)(de)基础上(shang)引(yin)入一个双极型BJT结(jie)构(gou)，就不(bu)仅(jin)能(neng)够保留MOSFET原(yuan)有(you)优点(dian)，还可以通过BJT结(jie)构(gou)的(de)(de)少数(shu)载流子注入效(xiao)应对n漂(piao)移(yi)区的(de)(de)电(dian)导率进行调制，从而有(you)效(xiao)降低n漂(piao)移(yi)区的(de)(de)电(dian)阻(zu)率，提高器件的(de)(de)电(dian)流能(neng)力。

经(jing)过后(hou)续不断的(de)改进(jin)，目前IGBT已经(jing)能够覆盖从600V—6500V的(de)电(dian)(dian)压范围，应用涵盖从工业电(dian)(dian)源(yuan)、变频器、新能源(yuan)汽车、新能源(yuan)发电(dian)(dian)到轨道(dao)交(jiao)通、国(guo)家电(dian)(dian)网等一系列(lie)领(ling)(ling)域(yu)。IGBT凭借其高输入阻抗、驱动电(dian)(dian)路简单、开关损耗小(xiao)等优点在庞大的(de)功率器件世界中赢得了自己的(de)一片(pian)领(ling)(ling)域(yu)。

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