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-型半導體，在截止狀態(tài)時n-區(qū)必須接納空間電荷區(qū)。在n-型半導體上形成一個p導通型半導體環(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)。
  在微電子學中，如圖2或圖3所描述的形式，被稱為垂直結(jié)構(gòu)，因為外部電流是垂直流過每個單元。在本章除個別例外的晶體管，只討論n溝道增強型元器件，既在p型導通的硅材料加上一個正的電壓和在導通溝道中電子作為載子(主要載流子)。在不加電壓時元器件處于截止狀態(tài)(自閉晶體管)。另外類型的MOSFET是p溝道增強型(既在p型導通的硅材料加上一個負的電壓和在導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)。它們在沒有電壓時是導通狀態(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。這種半導體元器件在實踐中有一些應(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

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

  功率MOSFET和IGBT在結(jié)構(gòu)上的下同導致了能上的差異，zui大的不同之處就是第三(MOSFET稱漏，IGBT稱收集)的構(gòu)造。當在柵和源(MOSFET)或發(fā)射(IGBT)加上正向電壓，就會在基下方中p型半導體區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一條n導通溝道。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+導通型半導體做收集。這就形成額外的n-型半導體和p+半導體之間新場阻層，它對IGBT有很大影響。
  流經(jīng)n-漂移區(qū)的電子在進入p+區(qū)時，會導致正電荷的載流子(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是一個雙元器件。
  因為在阻抗的n-區(qū)充滿了少數(shù)載流子，這就會導致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。