什么是半導體？功率半導體器件的分類 功率MOS器件結構及工作原理

來源：成電研究生科學普及

電子電力器件又稱為功率半導體器件，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。電子科技大學的陳星弼院士提出的超結功率器件更是把整個功率半導體提升到一個全新階段，成為功率半導體史上的里程碑。

圖 近3年來國內(nèi)功率半導體應用市場占比及具體應用市場

目前功率半導體的應用主要在以下五個方面：

1. 整流器。當我們把用電設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)交流轉直流的功能。

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

3. 電源管理。當我們使用一些便攜式電子設備時，這些設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體器件來實現(xiàn)。

5. 開關。作為電子開關控制電源的通斷，即用作電路的開關。

01 什么是半導體？

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

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

(a)

(b)

圖 兩種不同類型的半導體。(a)P型半導體；(b)N型半導體

02 功率MOS器件及工作原理

2.1 功率MOS器件結構

功率MOS器件是功率半導體最核心最重要的器件，它是由一整塊P型半導體（P-sub）通過在頂端左右兩側摻雜雜質使得頂端兩側變?yōu)镹型半導體（N+），兩個N型半導體分別連接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（不導電），氧化層上方為Gate柵極金屬。如下圖所示。

圖 MOS元胞結構示意圖

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Gate柵極不加電壓時，P-sub整個區(qū)域均為雜質電離出的空穴，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，如果器件要導通，Source源極側的N+區(qū)域雜質電離出的電子將通過P-sub區(qū)域進入Drain漏極側的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器件均不會導通，沒有電流流通。

圖 MOS器件未導通時器件電子空穴分布圖

我們知道，同性相斥，異性相吸，當柵極加上正電壓VGS時，因為氧化層不導電，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，當柵極電壓達到某一值時（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，當加上漏源電壓VDS時，就產(chǎn)生了漏極電流ID。因此，當漏源電壓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)關系稱為轉移特性。

圖MOS器件導通時器件電子空穴分布圖

03 功率半導體器件的分類

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，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、短的開關時間和大的功率為目的的功率電子學。

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，如電力場效應晶體管，該類器件可控制器件的開啟關斷；第三類器件主要以絕緣柵雙極晶體管為代表，它將電力場效應晶體管高耐壓，驅動電路簡單的優(yōu)點與雙極結型晶體管導通電壓小的優(yōu)點結合于一體，因此，在高壓高功率電路中得到了廣泛應用。

圖 晶閘管內(nèi)部結構、示意圖及表示符號

圖 電力場效應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 按照半導體材料

功率器件按照半導體材料可分為第一代半導體、第二代半導體與第三代半導體。第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料。而第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導體（又稱非晶態(tài)半導體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導體；有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。第三代半導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體材料。

圖 第一、二、三代半導體材料及主要應用

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構LDMOS（Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor）與縱向功率器件的代表結構VDMOS（Vertical Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor）元胞結構示意圖。

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80年代后期，硅刻蝕溝槽技術由于其在DRAM芯片中制造電荷存儲電容器的應用而成為可能。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）結構。

圖 VVMOS、VDMOS、VUMOS結構圖

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”，即器件的導通電阻與擊穿電壓的2.5次方成正比，因此在設計VDMOS器件時，如果需要提高器件的擊穿電壓，其導通電阻將提高，工作時的功率耗散將增大，而如果需要降低器件的功耗，則需要降低其導通電阻，則相應的擊穿電壓將減小。因此VDMOS在高電壓下很難滿足低功耗的需求。

在20世紀90年代末，電子科技大學的陳星弼院士另辟蹊徑，提出了超結VDMOS結構，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VDMOS的優(yōu)勢在于把VDMOS中的漂移區(qū)轉為交替的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遠大于三角形電場。

(a)

(b)

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

因此在超結VDMOS的摻雜劑量與普通VDMOS相同的情況下，超結VDMOS器件的擊穿電壓將遠遠大于普通VDMOS。同理，擊穿電壓相同的情況下，超結VDMOS的導通電阻遠遠小于普通VDMOS，這意味著超結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MOSFET器件的產(chǎn)品進展，使得器件元胞寬度達到了5.5μm，P柱寬度更是達到了1.5μm，比導通電阻便已經(jīng)低至左右。成為了全球功率器件領域超結MOSFET的領頭羊。

圖 英飛凌公司的超結MOSFET發(fā)展歷程

05功率半導體器件的展望

現(xiàn)代功率器件仍在往大功率、易驅動和高頻化方向發(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溝道增強型場控復合器件，兼具MOSFET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與雙極復合型器件，采用集成電路工藝，在普通晶閘管結構中制作大量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體器件。

④IEGT（電子注入增強柵晶體管）：耐壓達4KV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結構實現(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)了電力電子技術的智能化和模塊化。

⑥PEBB（電力電子模塊）：在IPEM基礎上發(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