Анализ взаимосвязи между MOSFET, биполярными транзисторами и IGBT.

PN переход: Начало с PN перехода

 

PN переход является основой полупроводников, а легирование — душой полупроводников. Сначала давайте проясним несколько моментов:

 

1. Полупроводники P-типа и N-типа: Внутренние полупроводники легируются трехвалентными элементами. Согласно принципу стабильности химической связи, изученному в школе, будут «дыры», которые легко проводят электричество. Поэтому здесь дыры являются «носителями большинства»; аналогично, легирование пятивалентными элементами приводит к тому, что электроны являются «носителями большинства», а тип легирования — N (отрицательный) тип.

 

2. Носители: Кондуктивные среды, делятся на носители большинства и меньшинства, концепция очень важна и будет упомянута позже.

 

3. «Дыры» несут положительный заряд, в то время как электроны несут отрицательный заряд, но сам легированный полупроводник электрически нейтрален.

 

4. P+ и N+ указывают на сильное легирование; P- и N- указывают на легирование легкой степени.

 

Принцип PN перехода показан на рисунке ниже, где диффузия дыр и электронов образует область истощения, а направление электрического поля в области истощения показано на рисунке:

(1) Диод

 

Прямое смещение PN перехода: Применение прямого напряжения к PN переходу, как показано на рисунке ниже:

В это время носители большинства «дыры» в области P движутся в сторону области N под действием электрического поля, в то время как носители большинства электроны в области N движутся в противоположном направлении, что приводит к сужению области истощения до точки исчезновения. Прямое проводение нормально, и это также можно понять как преодоление внешним электрическим полем электрического поля внутри области истощения для достижения проводимости. Это напряжение обычно составляет 0,7 В или 0,3 В. Это принцип прямого проводения диода.

 

Обратное смещение PN перехода: Применение обратного напряжения к PN переходу, как показано на рисунке ниже:

Во время обратного смещения носители большинства движутся под действием электрического поля, что приводит к расширению PN перехода, и ток не может проходить, что приводит к обратному отсечению; это принцип обратного отсечения диода. Однако в это время носители меньшинства движутся под воздействием внутренних и внешних электрических полей, и направление электрического поля в области истощения облегчает проход носителей меньшинства через PN переход, образуя утечку тока.

 

Можно сделать важный вывод, подчеркивающий: Во время обратного смещения носители большинства отсекаются, в то время как носители меньшинства могут проходить очень легко, даже легче, чем носители большинства, проходящие через PN переход во время прямого смещения.

 

(2) Транзистор

 

Как упоминалось выше, во время обратного смещения PN перехода носители меньшинства могут легко проходить, образуя ток. В нормальных условиях количество носителей меньшинства очень мало, и обратный ток можно игнорировать.

 

Теперь мы контролируем этот обратный ток, вводя носители меньшинства в область N. Как вводить? Добавляя еще одну область P под областью N и делая вновь добавленный PN переход прямым смещенным, как показано ниже:

На рисунке выше переход эмиттера смещен вперед, и большое количество дыр входит в область базы. В области базы они все еще действуют как носители меньшинства. В это время, как упоминалось ранее, эти введенные носители меньшинства могут легко проходить через обратносмещенный PN переход — переход коллектора — чтобы достичь коллектора, образуя коллекторный ток Ic.

 

Условие для усиления транзистора — это "переход эмиттера смещен вперед, переход коллектора смещен назад", что очень легко понять, как показано на предыдущей характеристической кривой транзистора.

Это касается вопроса области насыщения. Когда транзистор работает в области насыщения, Vce очень мал. Некоторые говорят, что условие для области насыщения заключается в том, что переход эмиттера смещен вперед, а переход коллектора также смещен вперед, что может легко привести к недопониманию; нормально, если переход эмиттера смещен вперед, но переход коллектора не достиг проводимости прямого смещения. Если переход коллектора смещен вперед, это было бы не отличаться от наличия двух диодов вместе.

 

Прямое смещение напряжения на переходе коллектора препятствует дрейфу носителей меньшинства в области базы к коллекторному электроду. Чем сильнее прямое смещение, тем сложнее носителям меньшинства двигаться к коллектору, что приводит к меньшему Ic. Следовательно, Ic в состоянии насыщения меньше, чем βIb в состоянии усиления. В этот момент транзистор демонстрирует очень низкое сопротивление перехода, называемое проводимостью насыщения.

 

(3) MOSFET

 

Структурный принцип MOSFET: Берем N-MOS в качестве примера, a: полупроводник P-типа в качестве подложки; b: два N-типа области, диффундированные сверху; c: покрыты слоем изоляции SiO2; на N области вырезаны два отверстия, а затем путем металлизации образуются три электрода в изоляционном слое и двух отверстиях: G (затвор), D (сток), S (источник).

Рабочий принцип: Обычно подложка и источник соединены вместе. Когда Vds подается с положительным напряжением и Vgs=0, PN переход смещен назад, и тока нет. Когда Vgs подается с положительным напряжением, отрицательные заряды индуцируются над P подложкой, что противоположно по полярности носителям большинства (дырам) P подложки, образуя инверсионный слой, соединяющий N-типа области стока и источника, образуя проводящий канал. Когда Vgs относительно мал, отрицательные заряды нейтрализуются с дырами, и проводимость все еще невозможна. Когда Vgs превышает порог для проводимости, индуцированные отрицательные заряды соединяют N-типа области, образуя N-канал, начиная проводимость. По мере дальнейшего увеличения Vgs канал расширяется, сопротивление уменьшается, и, таким образом, ток увеличивается.

Чтобы улучшить производительность устройства, появились различные структуры, такие как VMOS и UMOS, но основной принцип остается тем же.

 

(4) IGBT

 

IGBT — это композитное устройство MOS и BJT. Как оно составлено, будет объяснено ниже. С точки зрения структуры, структура IGBT очень похожа на структуру силового MOS, с добавленным слоем P+ инъекции на задней стороне.

Проводящий путь IGBT выглядит следующим образом:

Как показано на рисунке выше, P-колодец и N-дрейфовая область образуют обратносмещенный PN переход, тем самым производя эффект JFET, как показано на рисунке ниже.

Таким образом, в вышеуказанной структуре IGBT сопротивление в направлении потока электронов может быть представлено, как показано на рисунке ниже, что ясно, когда комбинируется с описанием выше.

Чтобы уменьшить вышеуказанное сопротивление и улучшить использование площади затвора, IGBT с траншейным затвором стали основными, с эффектом, показанным на рисунке ниже.

Кроме того, чтобы повысить напряжение IGBT и уменьшить хвостовой ток, было предпринято значительное усилие в области N-дрейфа и задних процессах (утончение и инъекция).

 

Усилия в области N включают следующие типы:

1. PT: Используя кремний с высоким содержанием P+ в качестве исходного материала, сначала выращивается слой сильно легированного N-типового буферного слоя (N+ буферный слой), а затем на него осаждается слабо легированный N-типовой эпитаксиальный слой в качестве области дрейфа IGBT. После этого на поверхности N-типового эпитаксиального слоя формируются P-основа и N+ источник в качестве ячейки, и, наконец, P-типовая подложка уменьшается по мере необходимости.

 

2. NPT: Используя слабо легированный N-типовой кремний с зонной плавкой в качестве исходного материала, сначала создаются ячейки на передней стороне поверхности кремния и защищаются пассивирующим слоем, затем кремниевая пластина уменьшается до подходящей толщины. Наконец, бор вводится в заднюю часть уменьшенной кремниевой пластины для формирования P+ коллектора.

 

3. FS: Используя слабо легированный N-типовой кремний с зонной плавкой в качестве исходного материала, сначала создаются ячейки на передней стороне поверхности кремния и защищаются пассивирующим слоем. После уменьшения кремниевой пластины сначала вводится фосфор в заднюю часть кремниевой пластины для формирования N+ отсеченного слоя, а затем вводится бор для формирования P+ коллектора.

 

Каковы различия между транзисторами, MOSFET и IGBT?Почему говорят, что IGBT - это устройство, состоящее из BJT и MOSFET?

 

 

Чтобы прояснить взаимосвязь между IGBT, BJT и MOSFET, необходимо иметь общее представление о внутренних структурах и принципах работы этих трех.

 

BJT

 

Биполярный переходный транзистор, обычно известный как транзистор. Внутренняя структура (на примере PNP типа BJT) показана на рисунке ниже.

Биполярный означает, что в устройстве участвуют два типа носителей заряда: дыры и электроны. Поскольку BJT называется биполярным переходным транзистором, он должен содержать как дыры, так и носители заряда внутри. Понимание движения этих двух типов носителей заряда является ключом к пониманию принципа работы BJT.

 

Поскольку концентрация дыр в P-области e (эмиттер) больше, чем в N-области b (база), произойдет диффузия дыр, что означает, что дыры будут диффундировать из P-области в N-область. Аналогично, концентрация электронов в P-области e (эмиттер) ниже, чем в N-области b (база), поэтому электроны также будут диффундировать из N-области в P-область.

 

Это движение в конечном итоге создаст электрическое поле на переходе эмиттер-коллектор, направленное от N-области к P-области, известное как встроенное электрическое поле. Это электрическое поле предотвратит дальнейшую диффузию дыр из P-области в N-область. Если мы приложим положительное смещение (p положительное, n отрицательное) на переходе эмиттер-коллектор, чтобы ослабить эффект встроенного электрического поля, дыры могут продолжать диффузировать в N-область.

 

Некоторые из дыр, которые диффундируют в N-область, будут рекомбинировать с основными носителями - электронами в N-области, в то время как другая часть будет дрейфовать к коллектору в условиях обратного смещения (p отрицательное, n положительное), формируя коллекторный ток.

 

Стоит отметить, что электроны в N-области не будут недостаточными после рекомбинации с дырами из P-области, потому что электрод b (база) будет постоянно обеспечивать электроны, чтобы гарантировать, что вышеуказанный процесс может продолжаться. Понимание этой части очень полезно для понимания взаимосвязи между IGBT и BJT позже.

 

MOSFET

 

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор, сокращенно MOSFET. Внутренняя структура (на примере N-MOSFET) показана на рисунке ниже.

                                                                        MOSFET внутренняя структура и символы.

 

На P-типовом полупроводниковом подложке создаются две N+ области, одна из которых называется областью источника, а другая - областью стока. Область канала - это боковое расстояние между стоком и источником. На поверхности области канала имеется слой оксида, образованный термическим окислением в качестве среды, называемый изолирующим затвором. На область источника, область стока и изолирующий затвор испаряется слой алюминия в качестве выводных электродов, которые являются источником (S), стоком (D) и затвором (G).

 

MOSFET - это устройство, управляемое напряжением, и его состояние включения/выключения контролируется напряжением затвора. Наблюдая за диаграммой, мы видим, что между источником S и стоком D N-MOSFET есть два pn-перехода, соединенные обратно. Когда на затвор-источник не подается напряжение VGS, независимо от того, какое напряжение и какой полярности подается между стоком-источником VDS, один из pn-переходов всегда будет находиться в обратном смещении, и между стоком и источником не будет проводящего канала, поэтому устройство не может быть включено.

 

Однако, если VGS достаточно положительное, в изолирующем слое между затвором G и подложкой p будет сгенерировано электрическое поле, направленное от затвора к подложке. Под действием этого электрического поля электроны будут накапливаться на поверхности под оксидом затвора, образуя N-типовой тонкий слой (обычно несколько нм), соединяющий две N+ области слева и справа, образуя проводящий канал, как показано в желтой области рисунка. Когда VDS > 0V, N-MOSFET включается, и устройство начинает работать.

 

IGBT

 

Схема структуры IGBT.

                                                                        IGBT внутренняя структура и символы.

Желтая область указывает на канал, образованный при включении IGBT. Сначала посмотрите на желтую пунктирную часть; кажется ли она знакомой при более внимательном рассмотрении?

 

Эта часть структуры и принципа работы по сути такая же, как у N-MOSFET. Когда VGE > 0V и VCE > 0V, на поверхности IGBT также образуется канал, с электронами, начинающими из n-области, протекающими через область канала и вводящимися в n-область дрейфа, что похоже на сток N-MOSFET.

 

Синяя пунктирная часть соответствует структуре BJT, с электронами, протекающими в n-область дрейфа, постоянно обеспечивая электроны для n-области PNP транзистора, обеспечивая базовый ток PNP транзистора. Мы применяем положительное смещение VCE, чтобы сделать PNP проводящим в прямом направлении, позволяя устройству IGBT работать нормально.

 

Вот почему определено, что IGBT - это устройство, состоящее из BJT и MOSFET.

 

Кроме того, красная часть, отмеченная здесь, не была упомянута в определении, потому что это на самом деле структура паразитного тиристора npnp. Эта структура нежелательна для IGBT, так как паразитный тиристор может захватываться при определенных условиях, что приводит к потере управления затвором IGBT, делая его неспособным отключиться самостоятельно, что может привести к повреждению IGBT.

 

Связь между IGBT, BJT и MOSFET.

 

BJT появился раньше MOSFET, а MOSFET появился раньше IGBT, поэтому мы объясняем причинно-следственную связь между тремя на основе появления промежуточного MOSFET.

 

Появление MOSFET можно проследить до начала 1930-х годов. Концепция полевого транзистора, предложенная немецким ученым Лилиенфельдом в 1930 году, привлекла интерес многих ученых в этой области. Бардин и Браттейн из Bell Labs случайно изобрели биполярный переходный транзистор (BJT) во время попытки изобрести полевой эффект в 1947 году.

 

Два года спустя Шокли, также из Bell Labs, уточнил рабочий принцип BJT, используя теорию инжекции носителей меньшинства, и предложил концепцию практического переходного транзистора.

 

Развиваясь до настоящего времени, MOSFET в основном используется в средних и маломощных приложениях, таких как блоки питания для компьютеров и бытовая техника, с такими преимуществами, как высокая входная импеданс затвора, низкая мощность управления, высокая способность к отключению тока, высокая скорость переключения и низкие потери при переключении.

 

Поскольку downstream-приложения развиваются все быстрее, текущая способность MOSFET явно не может удовлетворить рыночный спрос. Чтобы уменьшить сопротивление включения устройства, сохраняя преимущества MOSFET, были предприняты попытки уменьшить сопротивление включения, увеличивая концентрацию легирования подложки MOSFET, но увеличение легирования подложки приведет к снижению напряжения устройства. Это явно не идеальный метод улучшения.

 

Однако, если на основе структуры MOSFET ввести биполярную структуру BJT, это не только сохранит оригинальные преимущества MOSFET, но и позволит модулировать проводимость области n-дрифта через эффект инжекции носителей меньшинства структуры BJT, тем самым эффективно снижая сопротивление области n-дрифта и улучшая токовую способность устройства.

 

После непрерывных улучшений IGBT теперь может охватывать диапазон напряжений от 600 В до 6500 В, с применениями в ряде областей от промышленных источников питания, инверторов, новых энергетических транспортных средств, новых источников энергии до железнодорожного транспорта и национальной сети.