MOS管、三极管、IGBT之间的因果关系 区别与联系最全解析-KIA MOS管

大家都知道MOS三极管极管、IGBT标准定义，但很少有人从这句话中详细系统地分析为什么？IGBT是由BJT和MOS它们之间的区别和联系是什么，在应用中什么时候可以选择？IGBT、何时选择BJT、再次选择MOSFET管。事实上，这些问题并不难。如果你跟着我，你可以看到它们的区别和联系。

PN结：从PN结说起

PN结是半导体的基础，混合是半导体的灵魂，先明确几点:

1、P类型和N型半导体： 根据高中化学键的稳定性原理，本征半导体掺杂三价元素 空穴容易导电，所以这里的空穴是多子，即大多数载流子，掺杂类型为P（positive）类型；同样，混合五价元素，电子为多子N（negative）型。

2.载流子:导电介质分为多子和少子。概念很重要，后面会引用

3.空穴带正电，电子带负电，但混合半导体本身是电中性的

4、P 和N 表示重度掺杂；P-和N-表示轻微掺杂

PN如下图所示，空穴和电子扩散形成耗尽层，耗尽层的电场方向如图所示： (一)二极管 PN结正偏：PN加上正压，如下图所示 此时P区多子“空穴”在电场的作用下向N区运动，N相反，区域内的多子电子使耗尽层变窄至消失，正向导电OK，也可以理解为，外加电场克服了耗尽层的内电场，实现了导电.7V或0.3V。这就是二极管正向导通的原理。

PN结反偏：PN如下图所示： 反偏时，多子在电场的作用下运动PN结加宽，电流不能通过，反向截止；这是二极管反向截止的原理。然而，此时，少子在内外电场的作用下移动，并耗尽层电场的方向，使少子更容易通过PN结，形成漏电流。得出重要结论，重点:反偏时，大部分载流子截止，少数载流子容易通过，大部分载流子比正偏时通过PN结也要轻松。

上边说PN结反偏时，少数载流子可轻易通过，形成电流，正常情况下小少子数量很少，反向电流可忽略不计。

现在我们将控制这个反向电流，如何通过向N区注入少子注入，在N区下添加另一个P区，并添加新的PN结正偏，如下： 在上图中，发射结正偏，大量空穴进入基区。他们在基区的身份仍然是少数载流子。此时，如前所述，这些注入的少数载流子很容易通过反偏转PN到达集电极，形成集电极电流Ic。

因此，我们课堂上背诵的三极管放大导通条件是<发射结正偏，集电结反偏>很容易理解上一个三极管的特性曲线。 这里涉及了饱和区的问题，三极管工作在饱和区时Vce很小，有人说饱和区的条件是发射正偏，集电结也正偏，容易误解；发射正偏导没问题，但集电结没有达到正偏导。如果集电结正偏导，与两个二极管没有区别；集电结的正偏电压阻碍基区少子向集电极漂移。正偏越严重，少子向集电极移动越困难。即Ic越小，饱和状态下越小Ic小于放大状态βIb是的，此时管道呈现出很小的结电阻，即所谓的饱和导通。

MOS管结构原理：以N-MOS为例，a：P衬底为型半导体；b：两个N型区域在上面扩散，c：覆盖SiO2绝缘层；在N区腐蚀两个孔，然后在绝缘层和两个孔中制成三个电极：G（栅极）、D（漏极）、S（源极）。

工作原理：一般衬底与源极短相连，Vds加正电压，Vgs=0时，PN结反偏，没有电流，Vgs加正电压，P负电荷感应在衬底上方， 与P衬底的多子(空穴)极性相反，称为反型层，并将漏源极N型区连接起来形成导电沟。Vgs当负电荷与空穴中和时，仍然不能导电Vgs超过导通阈值后，感应负电荷将N型区形成N沟，开始导电。Vgs继续增加，通道扩大电阻降低，电流增加 为了提高设备的性能，出现了VMOS、UMOS各种结构的基本原理相同。

IGBT是MOS和BJT如何复合复合器件，往下看。从结构上看，IGBT与功率MOS背面的结构非常相似P 注入层（injection layer）。 得出IGBT导电路径： 由于上图P陷阱和N-漂移区的PN形成反偏状态，产生反偏状态JFET如下图所示。

所以，在上面IGBT在结构中，电子流通方向的电阻可以用下图表示，结合上述描述一目了然。

为降低上述电阻，提高栅极面积利用率，槽栅IGBT成为主流，效果如下图所示。

此外，为了提升IGBT耐压，减少拖尾电流N –漂移区和背面工艺(减薄注入)做了很多努力:

N-区下功夫包括以下几种:

1、PT：以高浓度的P 直拉单晶硅是起始材料，先生长了一层N型缓冲层，掺杂浓度高（N buffer层)，然后继续积累轻混合物N-作为外延层IGBT漂移区，然后在N-外延层表面形成P-base、N source作为元胞，P型衬底最终根据需要减薄。

2、NPT：采用轻掺杂N- 作为起始材料，区熔单晶硅首先在硅表面前制作元胞，并用钝化层保护，然后将硅片减薄到适当的厚度。最后，将硼注入薄硅片的背面，形成P collector。

3、FS：以轻掺杂N- 作为起始材料，区熔单晶硅首先在硅表面前制作元胞，并用钝化层保护。硅片减薄后，首先将磷注入硅片背面形成N 截止层, 最后注入硼形成P collector。

为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成器件？ 要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET两者之间的关系必须大致了解三者的内部结构和工作原理。

金属-氧化物-半导体场效应晶体管，简称场效晶体管。内部结构(以N-MOSFET例)如下图所示。

MOSFET内部结构及符号

在P型半导体衬底上做两个N 区域，一个称为源区，另一个称为泄漏区。泄漏和源之间是水平距离沟区。在沟区表面，有一层由热氧化产生的氧化层作为介质，称为绝缘栅。在源区、泄漏区和绝缘栅上蒸发一层铝作为引出电极，即源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。

MOSFET管道为压控装置，其导通关断由栅极电压控制。从图中观察，发现N-MOSFET管道的源极S和漏极D之间有两个背靠背pn结，当栅极-源极电压VGS不加电压时，无论漏极-源极电压如何VDS总有一个极性电压加多大或什么？pn结处于反偏状态，泄漏和源极之间没有导电沟，设备无法导通。

但如果VGS正向足够大。此时，栅极G和衬底P之间的绝缘层将产生一个电场，方向从栅极指向衬底。电子在电场的作用下聚集在栅氧下表面，形成N层（通常是几层）nm)，连接左右两个N 如图中黄色区域所示，形成导通沟。VDS＞0V时，N-MOSFET管导通，设备工作。

IGBT的结构图 IGBT内部结构及符号

黄色块表示IGBT导通时形成的沟道。先看黄色虚线部分，仔细看是否有一丝熟悉感？

这部分结构和工作原理本质上与上述相同N-MOSFET是一样的。当VGE>0V，VCE>0V时，IGBT电子从n区出发，流经沟区，注入n漂移区，表面也会形成沟道，n类似于漂移区N-MOSFET的漏极。

蓝色虚线部分也是如此BJT流入n漂移区的电子结构为PNP晶体管的n区持续提供电子，这就保证了PNP晶体管的基极电流。我们给它加上正向偏压VCE，使PNP正向导通，IGBT设备工作正常。

为什么这就是为什么在定义中IGBT是由BJT和MOSFET组件的原因。

BJT出现在MOSFET之前，而MOSFET出现在IGBT之前，所以我们从中间者MOSFET的出现来阐述三者的因果故事。

MOSFET的出现可以追溯到20世纪30年代初。德国科学家Lilienfeld于1930年提出的场效应晶体管概念吸引了许多该领域科学家的兴趣，贝尔实验室的Bardeem和Brattain在1947年的一次场效应管发明尝试中，意外发明了电接触双极晶体管（BJT）。

两年后，同样来自贝尔实验室的Shockley用少子注入理论阐明了BJT的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。