简述半导体原理——晶体管家族的核心工作机制

 

 

作者简介

关艳霞，沈阳工业大学副教授

 

● 主持国家自然科学基金子课题3项。主持辽宁省教育厅科学研究项目1项。

● 发表论文30余篇，其中SCI检索4篇。

● 辽宁省一流课程《微电子器件原理》《功率半导体器件》课程负责人

● 辽宁省精品资源共享课《固体电子器件》的课程负责人

● 《先进功率整流器原理、特性及应用》B.J.Baliga（第一译者）

● 《功率半导体器件》第一作者

● B站“光彩为霞”UP主，在线课程《功率半导体器件》和《微电子器件》

 

01

晶体管今生前世

 

在电力电子行业中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）无疑是广为人知的明星器件。然而，当我们面对基于GaN（氮化镓）材料的HEMT（高电子迁移率晶体管）技术时，可能会感到些许陌生。为了更全面地了解这一领域，让我们对晶体管家族的谱系进行一次详尽的梳理，如图1所示，这样我们能更清晰地把握它们之间的关系与差异。

 

 

1947年，W. Shockley，J. Bardeen，W. Bratten三人在单晶锗上研制成功了第一支双极晶体管，取名：transistor。顾名思义，该器件有“跨阻”的含义，即一端的电压对另一端的电流有控制作用。经典著作《半导体器件物理学》作者施敏先生称这类器件为PET（势效应晶体管）。

 

1960年，第一支MOSFET诞生了，发明人是D. Kahng和M. Atalla。与双极晶体管相比，MOSFET更适合大规模集成电路的开发。经过几十年的繁衍，晶体管家族“人丁兴旺”，尤其是FET（场效应晶体管）一族。从栅极的构成划分，FET可分为IGFET（绝缘栅极场效应晶体管）、JFET（结型门极场效应晶体管）和MESFET（肖特基场效应晶体管）。

 

第一只绝缘栅极场效应晶体管IGFET是采用二氧化硅绝缘层的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），但今天的IGFET不仅仅是MOSFET了，二氧化硅绝缘层可以用其他的介电系数更高的绝缘层替代（MISFET），也可以用宽禁带半导体材料替代（HFET，异质结场效应晶体管）。

 

宽禁带半导体可以是掺杂的，即MODFET/HEMT，也可以是不掺杂的，即HIGFET。如果栅极是由PN结构成的，那便是JFET（结型场效应晶体管）。如果栅极是由肖特基构成，那便是MESFET。

 

图1 晶体管家族谱系

注解（1）：在施敏著，半导体器件物理第三版225页，施敏教授称BJT为PET（the potential-effect transistor，势效应晶体管）

 

尽管晶体管家族成员不断增加，结构不尽相同，但其核心功能都是——transistor（“跨阻”），也可称“跨导”。下面以BJT、MOSFET和IGBT为例，一语道破实现“跨阻”的天机——晶体管家族的核心工作机制。

 

02

BJT——

由“滑梯”实现transistor功能

 

BJT的结构和符号如图2所示，有npn和pnp两种结构。中间部分称为基区，所连电极称为基极，用b表示（base）；一侧称为发射区，所引电极称为发射极，用e表示（emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用c表示（collector）。e-b间的pn结称为发射结(Je)，c-b间的pn结称为集电结(Jc)。之所以隆重地介绍双极晶体管的结构以及称呼，是因为这些构件的功能是：闻其名，知其性。

 

图2 BJT的结构与符号
 

 

发射结Je和集电结Jc，在晶体管电流传输中，分别发射载流子和收集载流子。工作原理示意图如图3所示。发射结Je在输入端电压VBE的作用下，发挥正偏PN结“泵”的注入功能，将发射区的多数载流子注入到基区，注入到基区的载流子凭借扩散运动（缓变基区晶体管也做漂移运动），流向集电结Jc，被集电结Jc收集，形成集电极电流Ic。集电极电流的大小取决于基区的电流输运能力，基区的电流输运能力取决于基区的少子浓度梯度（见图3中的斜线），基区少子的浓度梯度取决于Je的注入能力，而Je的注入能力取决于VBE的大小，于是BJT的VBE通过控制基区的少子浓度梯度，控制着集电极电流Ic，实现了跨导功能。

 

图3 BJT工作原理示意图

 

一言以蔽之：BJT的核心工作机制是：输入电压（VBE）在基区所搭建的载流子“滑梯”使发射结发射的载流子传输到集电结Jc，被其收集形成集电极电流Ic，实现了transistor（跨阻）功能。

 

由图1可知，晶体管家族分为PET和FET两大分支。对于FET来说，无论是结构，还是工作机理都与PET不同，但FET家族中的器件，尽管结构也有所不同，但工作原理相近，下面以MOSFET为例，道破FET家族的核心工作机制。

 

03

MOSFET——

由栅控门实现transistor功能

 

N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号如图4所示。

 

图4 MOSFET结构与符号

 

N沟道MOSFET制作在P衬底上，在P衬底上形成两个N型区，其中一个N型区叫做源区，所引出的电极叫源极，用S表示（Source），另一个N区叫漏区，所引出的电极叫漏极，用D表示（Drain），在S、D之间形成MOS结构，引出电极叫栅极，用G表示（Gate）。与BJT不同，MOSFET是四端器件，衬底端也引出一个电极，用B表示（Block或Background）。S、D和G的功能也是闻如其名，S，载流子之源；D，抽取源中的载流子，形成漏极电流ID。能否形成ID，受“栅控门”来控制。“栅控门”就是由栅电压所控制的一个势垒。由图4可知，MOSFET寄生着一个NPN晶体管，S为发射区，D为集电区，中间的P为基区，基区的电子能级高于N发射区和N集电区能级，于是就形成了一个阻隔着载流子的“门”。这个门的开、关，及开的程度由栅电压VGS控制。通过栅极电压（VGS）降低MOS结构半导体表面的势垒，使表面形成反型层（N型层）——导电沟道，S与D之间的沟通之门被打开。

 

MOSFET的工作原理示意图如图5所示：

 

（a）MOSFET结构示意图

（b）受VGS和VDS控制的

沟道电阻

图5 MOSFET工作原理示意图

 

图5（a）为栅电压VGS打开了D、S沟通之门的MOSFET，于是MOSFET就成为了一个如图5（b）所示的，既受VGS控制，又受VDS控制的可变电阻。于是，在漏源电压VDS作用下，漏极电流ID就形成了。对于N沟道增强型MOSFET来说，VGS越大，门打开的程度越大，图5（b）所示的电阻就越小，漏极电流ID越大，于是就实现了栅电压VGS控制漏极电流ID的transistor（跨阻）功能。

 

一言以蔽之：MOSFET依靠栅控门实现输入电压（VGS）对漏极电流（ID）控制的transistor（跨阻）功能。

 

功率MOSFET=平面MOSFET+RV，RV，电流垂直流动区域的电阻，栅电压有点儿鞭长不及了。于是，减小RV是功率MOSFET追求的目标，于是不断有新结构功率MOSFET结构诞生，如UMOSFET、GD-MOSFET和SJ-MOSFET等等。

 

 

FET家族的其他家族成员，尽管栅极结构不同，但核心工作机制依然是依靠栅控门实现跨导功能。下面再说一说集PET与FET于一身的IGBT。

 

04

IGBT——

“控制门+滑梯”强化transistor效应

 

IGBT的工作示意图和等效电路如图6所示：

 

（a）

IGBT结构示意图

（b）MOSFET+PiN

（c）

达林顿模式

图6 IGBT的结构示意图
 

 

从图6（a）可知，为IGBT是集平面MOSFET、PiN二极管和PNP晶体管于一身的复合型器件。通态的工作模式如图6（b）所示：MOSFET+PiN二极管的串联，由栅电压控制着平面MOSFET的漏极电流的大小。随着VCE的增加，IGBT进入MOSFET+PNP晶体管的达林顿模式，如图6（c）所示。MOSFET的输出电流作为PNP晶体管的输入电流，依靠“栅控门+滑梯”的双重作用，实现更强的跨阻效应。

 

05

一语道破天机——

晶体管家族的核心工作机制

 

晶体管家族两大分支具有不同的核心工作机制：

PET的核心工作机制是输入电压所控制的“滑梯”

FET的核心工作机制是“栅控门”

IGBT是PET与FET联姻的结晶，则是集PET与FET的工作机制于一身——“栅控门+滑梯”。