什么是半导体？功率半导体器件的分类 功率MOS器件结构及工作原理

来源：成电研究生科学普及   

电子电力器件又称为功率半导体器件，在世界上已经得到了极为广泛的运用，主要是作为开关和放大器来使用。它出现在社会生活中的各个方面，如医疗、教育、能源、环境和航空航天，甚至涉及到了现代化国防武器装备等领域，这将对社会加速发展起着很大的推动作用。电子科技大学的陈星弼院士提出的超结功率器件更是把整个功率半导体提升到一个全新阶段，成为功率半导体史上的里程碑。

图 近3年来国内功率半导体应用市场占比及具体应用市场

目前功率半导体的应用主要在以下五个方面：

1. 整流器。当我们把用电设备的插头连接到市电电源插座上时，实际上就会用到功率器件来实现交流转直流的功能。

2. 逆变器。当我们将存储好的直流电源内能量转化成用电设备所需要的交流电时，会需要一些功能模块实现这种直流转交流的功能。

3. 电源管理。当我们使用一些便携式电子设备时，这些设备通常需要电池直流供电，会需要一些电源管理芯片来控制直流供电，这样会用到功率半导体器件。

4. 变压、变频器。有些情况下需要将输入的相对较高电压交流信号频率改变，对于这种变压及变频功能也需要一些功率半导体器件来实现。

5. 开关。作为电子开关控制电源的通断，即用作电路的开关。

01 什么是半导体？

前文中已经详述了功率半导体器件的应用，那究竟什么是半导体呢？首先，对于半导体器件，其本身是不导电的，但是如果掺入了某些杂质，杂质便会电离出电子或空穴，其导电能力迅速提升，电子带正电，空穴带负电，故称之为半导体。

那为什么要选择半导体作为控制或转换的器件呢？为什么不使用导体或绝缘体呢？因为导体的导电性很强，而绝缘体本身不导电，它们的导电性都不能被我们所控制。而半导体能够通过掺入杂质的类型及剂量来控制半导体的导电性能。一般来说，杂质掺杂剂量越大，杂质电离出的空穴或电子越多，导电型越强。半导体导电又可分为电子导电与空穴导电，对应的半导体分别称为N型半导体与P型半导体。值得注意的是，不论半导体如何掺杂，都会电离出空穴与电子，只是N型半导体体内具有较多的电子和极少的空穴，P型半导体体内具有较多的空穴和极少的电子。我们称半导体体内较多的为多数载流子（多子），极少的为少数载流子（少子）。如下图所示为两种不同类型掺杂杂质形成的半导体。

(a)        

(b)

图 两种不同类型的半导体。(a)P型半导体；(b)N型半导体

02 功率MOS器件及工作原理

2.1 功率MOS器件结构

功率MOS器件是功率半导体最核心最重要的器件，它是由一整块P型半导体（P-sub）通过在顶端左右两侧掺杂杂质使得顶端两侧变为N型半导体（N+），两个N型半导体分别连接Source源极金属与Drain漏极金属，顶端的中间部分上方有一层氧化层（不导电），氧化层上方为Gate栅极金属。如下图所示。

图 MOS元胞结构示意图

2.2 功率MOS器件工作原理

MOS器件Source源极通常接地（零电位），Drain漏极通常接正极（高电位）。器件的工作取决于Gate栅极电位的大小。当Gate栅极不加电压时，P-sub整个区域均为杂质电离出的空穴，因为电流的方向与电子流动的方向相反，与空穴流动的方向相同，如果器件要导通，Source源极侧的N+区域杂质电离出的电子将通过P-sub区域进入Drain漏极侧的N+区域，这显然是不可能的，因为P-sub区域大部分为空穴，只有极少的电子，电子流通不能连续，因此此时N+不论漏极电压多大，MOS器件均不会导通，没有电流流通。

图 MOS器件未导通时器件电子空穴分布图

我们知道，同性相斥，异性相吸，当栅极加上正电压VGS时，因为氧化层不导电，栅极将有大量的电场线指向P-sub（P型衬底），栅极正电压将排斥其下方P-sub表面的空穴，当栅极电压达到某一值时（阈值电压Vth），强大的电场将把P-sub的表面反型，即感应出大量的电子，因此就有大量电子聚集于上表面，此时大量电子作为多数载流子形成了N沟道（感生沟道），并与N+漏区和N+源区相通；由于沟道有大量的电子，当加上漏源电压VDS时，就产生了漏极电流ID。因此，当漏源电压VDS一定时，若VGSth，则ID=0；若VGS>Vth，则ID>0。栅极电压VGS越大，沟道中产生的电子数量就越大，则漏极电流ID就越大。同时将漏源电压VDS 一定时，漏极电流ID与栅源电压VGS的函数关系称为转移特性。

图MOS器件导通时器件电子空穴分布图

03 功率半导体器件的分类

3.1 按照发展方向

功率器件按照发展方向可以分为小功率器件和大功率器件。小功率器件的发展方向以追求高集成度、高工作频率和单位器件的小功率为目的的微电子技术，它是以集成电路为核心的；而大功率器件的发展方向以追求高的工作电流密度、短的开关时间和大的功率为目的的功率电子学。

3.2 按照发展过程

功率器件按照其发展过程又可分为三类半导体器件，第一类器件是以晶闸管为代表的功率器件，该类器件一旦开启过后就没法停止了，因此寿命很短。第二类器件是一种可控型器件，如电力场效应晶体管，该类器件可控制器件的开启关断；第三类器件主要以绝缘栅双极晶体管为代表，它将电力场效应晶体管高耐压，驱动电路简单的优点与双极结型晶体管导通电压小的优点结合于一体，因此，在高压高功率电路中得到了广泛应用。

图 晶闸管内部结构、示意图及表示符号

图 电力场效应晶体管示意图及表示符号

图 绝缘栅双极晶体管示意图及表示符号

3.3 按照半导体材料

功率器件按照半导体材料可分为第一代半导体、第二代半导体与第三代半导体。第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。而第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。

图 第一、二、三代半导体材料及主要应用

3.4 按照电流流通路径

功率器件按照电流流通路径可以分为横向功率器件与纵向功率器件。横向功率器件指器件的漏电极和源电极都在器件上方，电流从漏极流向源极的路径为横向。而纵向功率器件指器件的源电极在器件的上方，而漏电流在器件的下方，电流从漏极流向源极的路径为纵向。如图为横向功率器件的代表结构LDMOS（Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor）与纵向功率器件的代表结构VDMOS（Vertical Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor）元胞结构示意图。

图 LDMOS（左）与VDMOS（右）元胞电流路径示意图

功率LDMOS与VDMOS相对于普通MOS多了一个漂移区N-Drift，同时MOS的P-sub相当于LDMOS与VDMOS器件的P-body区域， P-body通过P+区域与源电极相连，因此LDMOS与VDMOS的电流路径相对于普通MOS多了一个漂移区。漂移区的存在增大了器件的电阻，但在电流流通时，漂移区两端就可承受电压，因此LDMOS与VDMOS有较高的击穿电压。

04 功率MOS器件的发展

横向功率MOS器件大多以LDMOS为主，而对于纵向功率器件，有VVMOS，VUMOS，VDMOS等一系列器件。

1976年，Siliconix和IR公司生产出了首款纵向功率MOS，即VVMOS(Vertical channel V-groove Metal Oxide Semiconductor)。20世纪70年代末，H.W.Collins团队提出了VDMOS（Vertical conduction Double-diffused Metal Oxide Field Effect Transistor）器件20世纪80年代后期，硅刻蚀沟槽技术由于其在DRAM芯片中制造电荷存储电容器的应用而成为可能。这一工艺已被电力电子产业所采用，生产出了沟道栅或VUMOS（Vertical channel U-groove Metal Oxide Semiconductor）结构。

图 VVMOS、VDMOS、VUMOS结构图

在纵向功率器件历史发展的长河中，VDMOS器件最为突出。但是VDMOS存在“硅极限”，即器件的导通电阻与击穿电压的2.5次方成正比，因此在设计VDMOS器件时，如果需要提高器件的击穿电压，其导通电阻将提高，工作时的功率耗散将增大，而如果需要降低器件的功耗，则需要降低其导通电阻，则相应的击穿电压将减小。因此VDMOS在高电压下很难满足低功耗的需求。

在20世纪90年代末，电子科技大学的陈星弼院士另辟蹊径，提出了超结VDMOS结构，成为了功率器件历史中的里程碑，而英飞凌（原称西门子）公司也利用这一理论成功研制出了一种600V的功率MOSFET，称为Cool MOS。

超结VDMOS的优势在于把VDMOS中的漂移区转为交替的PN柱，这种器件将普通功率VDMOS器件的纵向电场耐压改为横向纵向电场一起耐压，通俗来讲，其利用PN柱将原先的三角形电场变成了矩形电场。因为击穿时电场与坐标轴所围成的区域即为击穿电压的大小。因此在击穿电场相同的情况下，矩形电场的击穿电压远远大于三角形电场。

(a)       

(b)

图20 反向耐压时二维电场分布图。(a)普通VDMOS；(b)超结MOSFET

因此在超结VDMOS的掺杂剂量与普通VDMOS相同的情况下，超结VDMOS器件的击穿电压将远远大于普通VDMOS。同理，击穿电压相同的情况下，超结VDMOS的导通电阻远远小于普通VDMOS，这意味着超结VDMOS器件在工作时比普通的功率器件的损耗更低。图21展示了英飞凌公司在超结MOSFET器件的产品进展，使得器件元胞宽度达到了5.5μm，P柱宽度更是达到了1.5μm，比导通电阻便已经低至左右。成为了全球功率器件领域超结MOSFET的领头羊。

图 英飞凌公司的超结MOSFET发展历程

05 功率半导体器件的展望

现代功率器件仍在往大功率、易驱动和高频化方向发展，模块化是向高功率密度发展的重要一步。当前功率器件的主要发展趋势如下：

①IGBT（绝缘栅双极晶体管）：N沟道增强型场控复合器件，兼具MOSFET和双极性器件的优点，即电流大、损耗低、控制简单。

②MCT（MOS控制晶闸管）：新型MOS与双极复合型器件，采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的通断，其缺点是不好关断。

③IGCT（集成门极板换流晶闸管）：用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

④IEGT（电子注入增强栅晶体管）：耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得飞跃性发展。

⑤IPEM（集成电力电子模块）：将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块，实现了电力电子技术的智能化和模块化。

⑥PEBB（电力电子模块）：在IPEM基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。

审核编辑：汤梓红