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功率MOSFET和IGBT的结构和原理
点击次数:763 发布时间:2017-12-27

功率MOSFET和IGBT的结构和原理

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个单元(50 V功率MOS-FET)或者50.000单元(1200V IGBT)。

图1 IGBT3的结构 
图1 IGBT3的结构

  于晶体管相同的技术概念,MOSFET和IGBT芯片控制区有相近的结构。如图2和图3所示,基板是n-型半导体,在截止状态时n-区必须接纳空间电荷区。在n-型半导体上形成一个p导通型半导体环形槽,它掺杂浓度是中心高(p+),边缘低(p-)。在环形槽上有一层n+型硅材料,它同MOSFET的源极或者IGBT的发射极相连接。在n+型硅材料上,通过一层薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,用n+型多晶建构成控制区(基极)。
  在微电子学中,如图2或图3所描述的形式,被称为垂直结构,因为外部电流是垂直流过每个单元。在本章除个别例外的晶体管,只讨论n沟道增强型元器件,既在p型导通的硅材料加上一个正的控制电压和在导通沟道中电子作为载子(主要载流子)。在不加控制电压时元器件处于截止状态(自闭晶体管)。另外类型的MOSFET是p沟道增强型(既在p型导通的硅材料加上一个负的控制电压和在导通沟道中正离子作为主要载流子,有同样的自闭晶体管特性),以及n型和p型耗尽型(耗尽型晶体管)。它们在没有控制电压时是导通状态(自开晶体管)。通过控制电压可在晶体管内产生空间电荷区,用它来影响和切断流通沟道。这种半导体元器件在实践中有一些应用,但在这里我们不讨论这些类型。

图2 功率MOSFET的垂直结构 a)流通图 b)电工符号 

图2 功率MOSFET的垂直结构 a)流通图 b)电工符号

图3 功率MOSFET的垂直结构 a)流通图 b)电工符号 

图3 功率MOSFET的垂直结构 a)流通图 b)电工符号

  功率MOSFET和IGBT在结构上的下同导致了性能上的差异,zui大的不同之处就是第三极(MOSFET称漏极,IGBT称收集极)的构造。当在栅极和源极(MOSFET)或发射极(IGBT)加上正向控制电压,就会在基极下方中p型半导体区内产生一条n导通沟道。通过这条沟道电子流可以从源极或者发射极穿过n型漂移区流向底边的电极,空间电荷区就被减少。MOSFET元器件只有电子作为载流子,形成主要电流(漏电流)。在高阻抗的n型漂流区没有双极的载流子出现,所以MOSFET是一种单极元器件。
  直到n-区MOSFET与IGBT有相同的结构,它们的区别在第三极。从而决定了各自下同的性能,IGBT元器件是在底面用p+导通型半导体做收集极。这就形成额外的n-型半导体和p+半导体之间新场阻层,它对IGBT有很大影响。
  流经n-漂移区的电子在进入p+区时,会导致正电荷的载流子(空穴)由p+区注入 n-区。这些被注入的空穴不但从漂移区流向发射极的p区,也经由沟道及n-区横向流入发射极。因此,在n-型漂移区内充满了空穴(少数載流子),这种增加的载流子构成了主电流(收集极电流)的大部分。主电流又会使空间电荷区减少,从而使集电极和发射极的电压差下降。与MOSFET不同,IGBT是一个双极元器件。
  因为在高阻抗的n-区充满了少数载流子,这就会导致IGBT的通态压降比MOBFET要低。这样IGBT在同样的面积就能比MOSFET承受更高的电压和电流。但在关断时这些少数载流子必须被从n-漂移区释放掉或者被再结合,这就产生功耗。

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