什么是半導(dǎo)體？功率半導(dǎo)體器件的分類 功率MOS器件結(jié)構(gòu)及工作原理

來源：成電研究生科學(xué)普及

電子電力器件又稱為功率半導(dǎo)體器件，在世界上已經(jīng)得到了極為廣泛的運用，主要是作為開關(guān)和放大器來使用。它出現(xiàn)在社會生活中的各個方面，如醫(yī)療、教育、能源、環(huán)境和航空航天，甚至涉及到了現(xiàn)代化國防武器裝備等領(lǐng)域，這將對社會加速發(fā)展起著很大的推動作用。電子科技大學(xué)的陳星弼院士提出的超結(jié)功率器件更是把整個功率半導(dǎo)體提升到一個全新階段，成為功率半導(dǎo)體史上的里程碑。

圖 近3年來國內(nèi)功率半導(dǎo)體應(yīng)用市場占比及具體應(yīng)用市場

目前功率半導(dǎo)體的應(yīng)用主要在以下五個方面：

1. 整流器。當(dāng)我們把用電設(shè)備的插頭連接到市電電源插座上時，實際上就會用到功率器件來實現(xiàn)交流轉(zhuǎn)直流的功能。

2. 逆變器。當(dāng)我們將存儲好的直流電源內(nèi)能量轉(zhuǎn)化成用電設(shè)備所需要的交流電時，會需要一些功能模塊實現(xiàn)這種直流轉(zhuǎn)交流的功能。

3. 電源管理。當(dāng)我們使用一些便攜式電子設(shè)備時，這些設(shè)備通常需要電池直流供電，會需要一些電源管理芯片來控制直流供電，這樣會用到功率半導(dǎo)體器件。

4. 變壓、變頻器。有些情況下需要將輸入的相對較高電壓交流信號頻率改變，對于這種變壓及變頻功能也需要一些功率半導(dǎo)體器件來實現(xiàn)。

5. 開關(guān)。作為電子開關(guān)控制電源的通斷，即用作電路的開關(guān)。

01 什么是半導(dǎo)體？

前文中已經(jīng)詳述了功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，那究竟什么是半導(dǎo)體呢？首先，對于半導(dǎo)體器件，其本身是不導(dǎo)電的，但是如果摻入了某些雜質(zhì)，雜質(zhì)便會電離出電子或空穴，其導(dǎo)電能力迅速提升，電子帶正電，空穴帶負(fù)電，故稱之為半導(dǎo)體。

那為什么要選擇半導(dǎo)體作為控制或轉(zhuǎn)換的器件呢？為什么不使用導(dǎo)體或絕緣體呢？因為導(dǎo)體的導(dǎo)電性很強，而絕緣體本身不導(dǎo)電，它們的導(dǎo)電性都不能被我們所控制。而半導(dǎo)體能夠通過摻入雜質(zhì)的類型及劑量來控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。一般來說，雜質(zhì)摻雜劑量越大，雜質(zhì)電離出的空穴或電子越多，導(dǎo)電型越強。半導(dǎo)體導(dǎo)電又可分為電子導(dǎo)電與空穴導(dǎo)電，對應(yīng)的半導(dǎo)體分別稱為N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體。值得注意的是，不論半導(dǎo)體如何摻雜，都會電離出空穴與電子，只是N型半導(dǎo)體體內(nèi)具有較多的電子和極少的空穴，P型半導(dǎo)體體內(nèi)具有較多的空穴和極少的電子。我們稱半導(dǎo)體體內(nèi)較多的為多數(shù)載流子（多子），極少的為少數(shù)載流子（少子）。如下圖所示為兩種不同類型摻雜雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體。

(a)

(b)

圖 兩種不同類型的半導(dǎo)體。(a)P型半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體

02 功率MOS器件及工作原理

2.1 功率MOS器件結(jié)構(gòu)

功率MOS器件是功率半導(dǎo)體最核心最重要的器件，它是由一整塊P型半導(dǎo)體（P-sub）通過在頂端左右兩側(cè)摻雜雜質(zhì)使得頂端兩側(cè)變?yōu)镹型半導(dǎo)體（N+），兩個N型半導(dǎo)體分別連接Source源極金屬與Drain漏極金屬，頂端的中間部分上方有一層氧化層（不導(dǎo)電），氧化層上方為Gate柵極金屬。如下圖所示。

圖 MOS元胞結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 功率MOS器件工作原理

MOS器件Source源極通常接地（零電位），Drain漏極通常接正極（高電位）。器件的工作取決于Gate柵極電位的大小。當(dāng)Gate柵極不加電壓時，P-sub整個區(qū)域均為雜質(zhì)電離出的空穴，因為電流的方向與電子流動的方向相反，與空穴流動的方向相同，如果器件要導(dǎo)通，Source源極側(cè)的N+區(qū)域雜質(zhì)電離出的電子將通過P-sub區(qū)域進(jìn)入Drain漏極側(cè)的N+區(qū)域，這顯然是不可能的，因為P-sub區(qū)域大部分為空穴，只有極少的電子，電子流通不能連續(xù)，因此此時N+不論漏極電壓多大，MOS器件均不會導(dǎo)通，沒有電流流通。

圖 MOS器件未導(dǎo)通時器件電子空穴分布圖

我們知道，同性相斥，異性相吸，當(dāng)柵極加上正電壓VGS時，因為氧化層不導(dǎo)電，柵極將有大量的電場線指向P-sub（P型襯底），柵極正電壓將排斥其下方P-sub表面的空穴，當(dāng)柵極電壓達(dá)到某一值時（閾值電壓Vth），強大的電場將把P-sub的表面反型，即感應(yīng)出大量的電子，因此就有大量電子聚集于上表面，此時大量電子作為多數(shù)載流子形成了N溝道（感生溝道），并與N+漏區(qū)和N+源區(qū)相通；由于溝道有大量的電子，當(dāng)加上漏源電壓VDS時，就產(chǎn)生了漏極電流ID。因此，當(dāng)漏源電壓VDS一定時，若VGSth，則ID=0；若VGS>Vth，則ID>0。柵極電壓VGS越大，溝道中產(chǎn)生的電子數(shù)量就越大，則漏極電流ID就越大。同時將漏源電壓VDS 一定時，漏極電流ID與柵源電壓VGS的函數(shù)關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。

圖MOS器件導(dǎo)通時器件電子空穴分布圖

03 功率半導(dǎo)體器件的分類

3.1 按照發(fā)展方向

功率器件按照發(fā)展方向可以分為小功率器件和大功率器件。小功率器件的發(fā)展方向以追求高集成度、高工作頻率和單位器件的小功率為目的的微電子技術(shù)，它是以集成電路為核心的；而大功率器件的發(fā)展方向以追求高的工作電流密度、短的開關(guān)時間和大的功率為目的的功率電子學(xué)。

3.2 按照發(fā)展過程

功率器件按照其發(fā)展過程又可分為三類半導(dǎo)體器件，第一類器件是以晶閘管為代表的功率器件，該類器件一旦開啟過后就沒法停止了，因此壽命很短。第二類器件是一種可控型器件，如電力場效應(yīng)晶體管，該類器件可控制器件的開啟關(guān)斷；第三類器件主要以絕緣柵雙極晶體管為代表，它將電力場效應(yīng)晶體管高耐壓，驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點與雙極結(jié)型晶體管導(dǎo)通電壓小的優(yōu)點結(jié)合于一體，因此，在高壓高功率電路中得到了廣泛應(yīng)用。

圖 晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)、示意圖及表示符號

圖 電力場效應(yīng)晶體管示意圖及表示符號

圖 絕緣柵雙極晶體管示意圖及表示符號

3.3 按照半導(dǎo)體材料

功率器件按照半導(dǎo)體材料可分為第一代半導(dǎo)體、第二代半導(dǎo)體與第三代半導(dǎo)體。第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料。而第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導(dǎo)體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體；有機半導(dǎo)體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。第三代半導(dǎo)體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

圖 第一、二、三代半導(dǎo)體材料及主要應(yīng)用

3.4 按照電流流通路徑

功率器件按照電流流通路徑可以分為橫向功率器件與縱向功率器件。橫向功率器件指器件的漏電極和源電極都在器件上方，電流從漏極流向源極的路徑為橫向。而縱向功率器件指器件的源電極在器件的上方，而漏電流在器件的下方，電流從漏極流向源極的路徑為縱向。如圖為橫向功率器件的代表結(jié)構(gòu)LDMOS（Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor）與縱向功率器件的代表結(jié)構(gòu)VDMOS（Vertical Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor）元胞結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 LDMOS（左）與VDMOS（右）元胞電流路徑示意圖

功率LDMOS與VDMOS相對于普通MOS多了一個漂移區(qū)N-Drift，同時MOS的P-sub相當(dāng)于LDMOS與VDMOS器件的P-body區(qū)域， P-body通過P+區(qū)域與源電極相連，因此LDMOS與VDMOS的電流路徑相對于普通MOS多了一個漂移區(qū)。漂移區(qū)的存在增大了器件的電阻，但在電流流通時，漂移區(qū)兩端就可承受電壓，因此LDMOS與VDMOS有較高的擊穿電壓。

04 功率MOS器件的發(fā)展

橫向功率MOS器件大多以LDMOS為主，而對于縱向功率器件，有VVMOS，VUMOS，VDMOS等一系列器件。

1976年，Siliconix和IR公司生產(chǎn)出了首款縱向功率MOS，即VVMOS(Vertical channel V-groove Metal Oxide Semiconductor)。20世紀(jì)70年代末，H.W.Collins團隊提出了VDMOS（Vertical conduction Double-diffused Metal Oxide Field Effect Transistor）器件20世紀(jì)80年代后期，硅刻蝕溝槽技術(shù)由于其在DRAM芯片中制造電荷存儲電容器的應(yīng)用而成為可能。這一工藝已被電力電子產(chǎn)業(yè)所采用，生產(chǎn)出了溝道柵或VUMOS（Vertical channel U-groove Metal Oxide Semiconductor）結(jié)構(gòu)。

圖 VVMOS、VDMOS、VUMOS結(jié)構(gòu)圖

在縱向功率器件歷史發(fā)展的長河中，VDMOS器件最為突出。但是VDMOS存在“硅極限”，即器件的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的2.5次方成正比，因此在設(shè)計VDMOS器件時，如果需要提高器件的擊穿電壓，其導(dǎo)通電阻將提高，工作時的功率耗散將增大，而如果需要降低器件的功耗，則需要降低其導(dǎo)通電阻，則相應(yīng)的擊穿電壓將減小。因此VDMOS在高電壓下很難滿足低功耗的需求。

在20世紀(jì)90年代末，電子科技大學(xué)的陳星弼院士另辟蹊徑，提出了超結(jié)VDMOS結(jié)構(gòu)，成為了功率器件歷史中的里程碑，而英飛凌（原稱西門子）公司也利用這一理論成功研制出了一種600V的功率MOSFET，稱為Cool MOS。

超結(jié)VDMOS的優(yōu)勢在于把VDMOS中的漂移區(qū)轉(zhuǎn)為交替的PN柱，這種器件將普通功率VDMOS器件的縱向電場耐壓改為橫向縱向電場一起耐壓，通俗來講，其利用PN柱將原先的三角形電場變成了矩形電場。因為擊穿時電場與坐標(biāo)軸所圍成的區(qū)域即為擊穿電壓的大小。因此在擊穿電場相同的情況下，矩形電場的擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三角形電場。

(a)

(b)

圖20 反向耐壓時二維電場分布圖。(a)普通VDMOS；(b)超結(jié)MOSFET

因此在超結(jié)VDMOS的摻雜劑量與普通VDMOS相同的情況下，超結(jié)VDMOS器件的擊穿電壓將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通VDMOS。同理，擊穿電壓相同的情況下，超結(jié)VDMOS的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通VDMOS，這意味著超結(jié)VDMOS器件在工作時比普通的功率器件的損耗更低。圖21展示了英飛凌公司在超結(jié)MOSFET器件的產(chǎn)品進(jìn)展，使得器件元胞寬度達(dá)到了5.5μm，P柱寬度更是達(dá)到了1.5μm，比導(dǎo)通電阻便已經(jīng)低至左右。成為了全球功率器件領(lǐng)域超結(jié)MOSFET的領(lǐng)頭羊。

圖 英飛凌公司的超結(jié)MOSFET發(fā)展歷程

05功率半導(dǎo)體器件的展望

現(xiàn)代功率器件仍在往大功率、易驅(qū)動和高頻化方向發(fā)展，模塊化是向高功率密度發(fā)展的重要一步。當(dāng)前功率器件的主要發(fā)展趨勢如下：

①IGBT（絕緣柵雙極晶體管）：N溝道增強型場控復(fù)合器件，兼具M(jìn)OSFET和雙極性器件的優(yōu)點，即電流大、損耗低、控制簡單。

②MCT（MOS控制晶閘管）：新型MOS與雙極復(fù)合型器件，采用集成電路工藝，在普通晶閘管結(jié)構(gòu)中制作大量MOS器件，通過MOS器件的通斷來控制晶閘管的通斷，其缺點是不好關(guān)斷。

③IGCT（集成門極板換流晶閘管）：用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。

④IEGT（電子注入增強柵晶體管）：耐壓達(dá)4KV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得飛躍性發(fā)展。

⑤IPEM（集成電力電子模塊）：將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊，實現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化。

⑥PEBB（電力電子模塊）：在IPEM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可處理電能集成的器件或模塊。

審核編輯：湯梓紅