IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)—反型層論述

在“IGBT中的若干PN結(jié)”一章中我們提到，IGBT是由BJT（雙極型晶體管）和MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）所構(gòu)成，BJT的結(jié)構(gòu)和機(jī)理前面已經(jīng)做了詳細(xì)論述，下面我們來看看MOS，其截面如圖所示，紅色虛線框內(nèi)。

注意，這里我們直接以最先進(jìn)的溝槽柵IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行論述，MOS的發(fā)展歷程中經(jīng)歷了不同的結(jié)構(gòu)演變，包括平面型、V字型等，基本原理相似，但各有優(yōu)缺點，在此不做對比，感興趣的朋友可以另查閱文獻(xiàn)了解。

IGBT中的MOS由N+、P-base、N-drift、N-buffer以及Poly（氧化硅包裹）組成，其中顯然包含了一個寄生的三極管，由N+、p-base和N-buffer組成，工作中要盡量避免這個三極管工作，其原因在上一章中已做論述；此外還包含了一個寄生二極管，由P-base和N-drift組成。

MOS也是一個三端元器件，分別為N+對應(yīng)的源極，N-buffer對應(yīng)的漏極，以及Poly對應(yīng)的柵極。

當(dāng)給柵極施加正電壓，當(dāng)電壓增大到一定程度，靠近柵極的局域P-base會發(fā)生反型（陰影部分），變成N型，使得N+區(qū)域與N-drift區(qū)域連通，MOS導(dǎo)通。所以，與BJT不同，MOS是一個電壓控制性器件。下面簡要分析一下，反型層的形成機(jī)制。

回顧一下P型和N型的定義，是根據(jù)半導(dǎo)體能帶與費米能級之間相對位置而來，所以，對于反型層的理解，我們也需要從能帶的變化來著手分析。

從圖中A到B的截面，分別為半導(dǎo)體層、氧化硅層和多晶硅層（柵極）。假設(shè)柵極上施加電壓為，我們看看和三種情況下的能帶變化。

1.

因為在溫度確定的情況下，費米能級的位置是確定的，所以圍繞費米能級，很容易畫出MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖如下。（這里把多晶硅視為金屬，且功函數(shù)與硅相同，這是與實際情況是有偏差的，后面再做分析）。

2.

柵極施加負(fù)電壓，柵極及靠近柵極區(qū)域的能級電子被排斥，相當(dāng)于電子占據(jù)導(dǎo)帶能級的概率降低，即向真空電子能級方向遠(yuǎn)離費米能級。電子被排斥，相當(dāng)于空穴被吸引，所以在半導(dǎo)體與絕緣層界面會形成一層空穴積累層。

3.

柵極施加正電壓，但本征能級在費米能級以上。柵極及靠近柵極區(qū)域的能級電子被吸引，相當(dāng)于電子占據(jù)導(dǎo)帶能級的概率升高，即向費米能級靠近。

4.

柵極施加正電壓增大，使得本征能級依然達(dá)到費米能級以下。定義=所對應(yīng)的電壓為（Threshold Voltage，閾值電壓）。半導(dǎo)體表面附近的費米能級更加靠近導(dǎo)帶，P型半導(dǎo)體即反型為N型半導(dǎo)體。