簡述半導體原理——晶體管家族的核心工作機制

作者簡介

關艷霞，沈陽工業(yè)大學副教授

● 主持國家自然科學基金子課題3項。主持遼寧省教育廳科學研究項目1項。

●發(fā)表論文30余篇，其中SCI檢索4篇。

●遼寧省一流課程《微電子器件原理》《功率半導體器件》課程負責人

●遼寧省精品資源共享課《固體電子器件》的課程負責人

●《先進功率整流器原理、特性及應用》B.J.Baliga（第一譯者）

●《功率半導體器件》第一作者

●B站“光彩為霞”UP主，在線課程《功率半導體器件》和《微電子器件》

01

晶體管今生前世

在電力電子行業(yè)中，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）無疑是廣為人知的明星器件。然而，當我們面對基于GaN（氮化鎵）材料的HEMT（高電子遷移率晶體管）技術時，可能會感到些許陌生。為了更全面地了解這一領域，讓我們對晶體管家族的譜系進行一次詳盡的梳理，如圖1所示，這樣我們能更清晰地把握它們之間的關系與差異。

1947年，W. Shockley，J. Bardeen，W. Bratten三人在單晶鍺上研制成功了第一支雙極晶體管，取名：transistor。顧名思義，該器件有“跨阻”的含義，即一端的電壓對另一端的電流有控制作用。經(jīng)典著作《半導體器件物理學》作者施敏先生稱這類器件為PET（勢效應晶體管）。

1960年，第一支MOSFET誕生了，發(fā)明人是D. Kahng和M. Atalla。與雙極晶體管相比，MOSFET更適合大規(guī)模集成電路的開發(fā)。經(jīng)過幾十年的繁衍，晶體管家族“人丁興旺”，尤其是FET（場效應晶體管）一族。從柵極的構成劃分，F(xiàn)ET可分為IGFET（絕緣柵極場效應晶體管）、JFET（結(jié)型門極場效應晶體管）和MESFET（肖特基場效應晶體管）。

第一只絕緣柵極場效應晶體管IGFET是采用二氧化硅絕緣層的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），但今天的IGFET不僅僅是MOSFET了，二氧化硅絕緣層可以用其他的介電系數(shù)更高的絕緣層替代（MISFET），也可以用寬禁帶半導體材料替代（HFET，異質(zhì)結(jié)場效應晶體管）。

寬禁帶半導體可以是摻雜的，即MODFET/HEMT，也可以是不摻雜的，即HIGFET。如果柵極是由PN結(jié)構成的，那便是JFET（結(jié)型場效應晶體管）。如果柵極是由肖特基構成，那便是MESFET。

圖1 晶體管家族譜系

注解（1）：在施敏著，半導體器件物理第三版225頁，施敏教授稱BJT為PET（the potential-effect transistor，勢效應晶體管）

盡管晶體管家族成員不斷增加，結(jié)構不盡相同，但其核心功能都是——transistor（“跨阻”），也可稱“跨導”。下面以BJT、MOSFET和IGBT為例，一語道破實現(xiàn)“跨阻”的天機——晶體管家族的核心工作機制。

02

BJT——

由“滑梯”實現(xiàn)transistor功能

BJT的結(jié)構和符號如圖2所示，有npn和pnp兩種結(jié)構。中間部分稱為基區(qū)，所連電極稱為基極，用b表示（base）；一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，所引電極稱為發(fā)射極，用e表示（emitter）；另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用c表示（collector）。e-b間的pn結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je)，c-b間的pn結(jié)稱為集電結(jié)(Jc)。之所以隆重地介紹雙極晶體管的結(jié)構以及稱呼，是因為這些構件的功能是：聞其名，知其性。

圖2 BJT的結(jié)構與符號

發(fā)射結(jié)Je和集電結(jié)Jc，在晶體管電流傳輸中，分別發(fā)射載流子和收集載流子。工作原理示意圖如圖3所示。發(fā)射結(jié)Je在輸入端電壓VBE的作用下，發(fā)揮正偏PN結(jié)“泵”的注入功能，將發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子注入到基區(qū)，注入到基區(qū)的載流子憑借擴散運動（緩變基區(qū)晶體管也做漂移運動），流向集電結(jié)Jc，被集電結(jié)Jc收集，形成集電極電流Ic。集電極電流的大小取決于基區(qū)的電流輸運能力，基區(qū)的電流輸運能力取決于基區(qū)的少子濃度梯度（見圖3中的斜線），基區(qū)少子的濃度梯度取決于Je的注入能力，而Je的注入能力取決于VBE的大小，于是BJT的VBE通過控制基區(qū)的少子濃度梯度，控制著集電極電流Ic，實現(xiàn)了跨導功能。

圖3 BJT工作原理示意圖

一言以蔽之：BJT的核心工作機制是：輸入電壓（VBE）在基區(qū)所搭建的載流子“滑梯”使發(fā)射結(jié)發(fā)射的載流子傳輸?shù)郊娊Y(jié)Jc，被其收集形成集電極電流Ic，實現(xiàn)了transistor（跨阻）功能。

由圖1可知，晶體管家族分為PET和FET兩大分支。對于FET來說，無論是結(jié)構，還是工作機理都與PET不同，但FET家族中的器件，盡管結(jié)構也有所不同，但工作原理相近，下面以MOSFET為例，道破FET家族的核心工作機制。

03

MOSFET——

由柵控門實現(xiàn)transistor功能

N溝道增強型MOSFET的結(jié)構示意圖和符號如圖4所示。

圖4 MOSFET結(jié)構與符號

N溝道MOSFET制作在P襯底上，在P襯底上形成兩個N型區(qū)，其中一個N型區(qū)叫做源區(qū)，所引出的電極叫源極，用S表示（Source），另一個N區(qū)叫漏區(qū)，所引出的電極叫漏極，用D表示（Drain），在S、D之間形成MOS結(jié)構，引出電極叫柵極，用G表示（Gate）。與BJT不同，MOSFET是四端器件，襯底端也引出一個電極，用B表示（Block或Background）。S、D和G的功能也是聞如其名，S，載流子之源；D，抽取源中的載流子，形成漏極電流ID。能否形成ID，受“柵控門”來控制?！皷趴亻T”就是由柵電壓所控制的一個勢壘。由圖4可知，MOSFET寄生著一個NPN晶體管，S為發(fā)射區(qū)，D為集電區(qū)，中間的P為基區(qū)，基區(qū)的電子能級高于N發(fā)射區(qū)和N集電區(qū)能級，于是就形成了一個阻隔著載流子的“門”。這個門的開、關，及開的程度由柵電壓VGS控制。通過柵極電壓（VGS）降低MOS結(jié)構半導體表面的勢壘，使表面形成反型層（N型層）——導電溝道，S與D之間的溝通之門被打開。

MOSFET的工作原理示意圖如圖5所示：

（a）MOSFET結(jié)構示意圖

（b）受VGS和VDS控制的

溝道電阻

圖5 MOSFET工作原理示意圖

圖5（a）為柵電壓VGS打開了D、S溝通之門的MOSFET，于是MOSFET就成為了一個如圖5（b）所示的，既受VGS控制，又受VDS控制的可變電阻。于是，在漏源電壓VDS作用下，漏極電流ID就形成了。對于N溝道增強型MOSFET來說，VGS越大，門打開的程度越大，圖5（b）所示的電阻就越小，漏極電流ID越大，于是就實現(xiàn)了柵電壓VGS控制漏極電流ID的transistor（跨阻）功能。

一言以蔽之：MOSFET依靠柵控門實現(xiàn)輸入電壓（VGS）對漏極電流（ID）控制的transistor（跨阻）功能。

功率MOSFET=平面MOSFET+RV，RV，電流垂直流動區(qū)域的電阻，柵電壓有點兒鞭長不及了。于是，減小RV是功率MOSFET追求的目標，于是不斷有新結(jié)構功率MOSFET結(jié)構誕生，如UMOSFET、GD-MOSFET和SJ-MOSFET等等。

FET家族的其他家族成員，盡管柵極結(jié)構不同，但核心工作機制依然是依靠柵控門實現(xiàn)跨導功能。下面再說一說集PET與FET于一身的IGBT。

04

IGBT——

“控制門+滑梯”強化transistor效應

IGBT的工作示意圖和等效電路如圖6所示：

（a）

IGBT結(jié)構示意圖

（b）MOSFET+PiN

（c）

達林頓模式

圖6 IGBT的結(jié)構示意圖

從圖6（a）可知，為IGBT是集平面MOSFET、PiN二極管和PNP晶體管于一身的復合型器件。通態(tài)的工作模式如圖6（b）所示：MOSFET+PiN二極管的串聯(lián)，由柵電壓控制著平面MOSFET的漏極電流的大小。隨著VCE的增加，IGBT進入MOSFET+PNP晶體管的達林頓模式，如圖6（c）所示。MOSFET的輸出電流作為PNP晶體管的輸入電流，依靠“柵控門+滑梯”的雙重作用，實現(xiàn)更強的跨阻效應。

05

一語道破天機——

晶體管家族的核心工作機制

晶體管家族兩大分支具有不同的核心工作機制：

PET的核心工作機制是輸入電壓所控制的“滑梯”

FET的核心工作機制是“柵控門”

IGBT是PET與FET聯(lián)姻的結(jié)晶，則是集PET與FET的工作機制于一身——“柵控門+滑梯”。