动力总成功率半导体解析 | IGBT, SiC Mosfet, GaN HEMT半导体工作原理

导言：Si基IGBT在电力电子应用行业占据主导地位，比如不间断电源、工业电机驱动、有轨电车以及电动汽车(EV)等；市场对更小型化产品的需求，使得碳化硅(SiC)MOSFET, GaN HEMT等将会成为这些应用中受欢迎的替代品；同时，由于短时间内SiC MOSFET的成本还比IGBT要高出不少，因此行业内有在开发基于Si IGBT和SiC Mosfet的混碳产品，虽然GaN HEMT的大规模应用还需要时间，但是行业内也已经逐步出现基于GaN的车载电源产品出现；本文试图从原理角度解释不同晶体管的分类，并对Si基MOSFET，SIC，GaN，IGBT等不同晶体管在半导体组成原理层面做了一定的解释。

引用：YOLE

目录

1. 晶体管种类和特征；

• 1.1 根据参与导电截流子及制造工艺
• 1.2 根据封装功率分类

• 1.3 根据内部电路分类

2. BJT：双极型晶体管

3. FET：场效应管

• 3.1 Si MOSFET：硅金属氧化物半导体场效应管
• 3.2 SiC MOSFET: 碳化硅金属氧化物半导体场效应管
• 3.3 GaN HEMT：氮化镓高电子迁移率晶体管

4. IGBT：绝缘栅双极型晶体管

5. 总结

01 晶体管种类和特征

晶体管是一种半导体器件, 用于放大和开关电信号；其可以通过参与导电载流子及制造工艺，内部电路和外形进行分类。

引用：Rohm

1.1 根据参与导电截流子及制造工艺

根据器件内部电子和空穴两种载流子参与导电情况及制造工艺，晶体管可以分为三类：

• BJT: 双极型晶体管 (Biploar Junction Transistor) 或者双极型器件, 指由电子和空穴两种载流子参与导电的器件;

两个 N 型半导体之间夹着一个非常薄的 P 型半导体的双极型晶体管称为 NPN 晶体管，而在两个 P 型半导体之间夹着一个 N 型半导体的双极型晶体管称为 PNP 晶体管，如图1所示。“晶体管”一词通常指这种晶体管，但由于当前出现了许多场效应晶体管产品，因此在这里使用双极型晶体管一词来与场效应晶体管区分。

• FET：场效应晶体管 (Field Effect Transistor) 或者单极型器件：指由一种载流子参与导电的器件；通过向栅极施加电压，在半导体内部产生电场，从而控制源极和漏极之间电流的晶体管。

根据栅极结构的不同，FET 可以分为 MOS 型 (MOSFET, Metal Oxide Semiconductor FET) 和结型 (JFET, Junction FET)；两种 MOS 都可以分为使用传统的硅 (Si) 作为半导体材料和使用碳化硅 (SiC) 作为半导体材料，使用硅的 MOSFET 和 JFET 分别称为 Si-MOSFET和 Si-JFET，使用 SiC 的 MOSFET 和 JFET 分别称为 SiC-MOSFET 和 SiC-JFET，Si-MOSFET中的 Super Junction MOSFET 通过改进制造工艺实现了更高的功率和速度。

根据是否在栅极上施加电压，FET 可以分为增强型 (除非在栅极上施加电压，否则不会有电流流过) 和耗尽型 (无电压时有电流流过) 两种；当前大多数 MOSFET 都是增强型，如图2所示为增强型 MOSEFT 的电路图符号，而所有 JFET 都是耗尽型。

另外一种可以实现高速开关的场效应晶体管是 HEMT：高电子迁移率晶体管 (High ElectronMobility Transistor)，其电流路径采用横向结构，并采用掺杂极少的化合物半导体如氮化镓(GaN), 称为 GaN-HEMT，这些器件能够实现应用中的节能和小型化。

• IGBT：绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Biploar Transistor) 或者复合型器件：指由单极性和双极型器件集成混合而成的器件;

NPN 和 PNP 型双极结型晶体管在导通时，少数载流子和多数载流子都参与导电；而 MOSFET只有多数载流子参与导电，因此在同等电压和电流下，MOSFET 的导通压降要低于场效应晶体管的导通压降; 而 MOSFET 需要栅极驱动能量小，而 BJT 需要相对高的基极电流来维持整个导通周期；结合 MOSFET 的驱动优势 (栅极电压控制晶体管，高输入阻抗) 及 BJT 导通优势 (双载流子达到大电流，低导通压降) 就产生了 IGBT。IGBT 是 MOSFET 和 BJT 的结合体，是兼具各自优秀特性 (驱动功率小，饱和压降低) 的功率晶体管，如图3a所示为 N 沟道 IGBT 电路符号，如图3b所示为 IGBT 结合了 MOSFET 和 BJT 的等效电路。

1.2 根据封装功率分类

根据封装功率分类法，封装功率小于 1W 的晶体管被归类为" 小信号晶体管"，大于等于 1W 的晶体管被归类为“功率晶体管”；其中小信号晶体管包括双极性小信号晶体管，场效应晶体管，射频和微波小信号晶体管；功率晶体管包括通用功率双极型晶体管，通用功率场效应晶体管，IGBT，达林顿功率晶体管，射频和微波功率晶体管；根据电压范围，通用功率场效应晶体管可以分为五类：≤ 40V, ≤ 100V，≤ 200V，≤ 400V，> 400V。

1.3 根据内部电路分类

按照内部电路分类，封装内只有一个晶体管的称为单管，内置多个晶体管并集成了电阻和二极管的封装成为复合型。

02 BJT：双极型晶体管

双极型晶体管 (Bipolar Junction Transistor,BJT)，简称晶体三极管/三极管，是指由电子和空穴两种载流子都参与导电的半导体器件，因此称为双极型。

如图1a所示，晶体管由两个 PN 结共用一个基区组成，两个 PN 结中一个为集电结，一个为发射结，中间区域叫做基区，另外两个区称为发射区与集电区，从三个区引出个电极端子，分别称为发射极(Emitter), 基极 (Base), 集电极 (Collector)；发射区与基区之间的 PN 结称为发射结，基区与集电区之间的 PN 结称为集电结。

引用：网络

当基极通电时, 电流会在集电极和发射极之间流动。以如图1b所示的 PNP 型晶体管为例，当在基极和发射极之间施加正向电压 VBE 时，发射区的电子 (负电荷) 流入基区，部分电子与基区中的空穴(正电荷) 结合，这就是基极电流 IB 。由于基区是 P 型半导体，结构较薄，因此从发射区流入基区的大部分电子都扩散到集电区中。而集电极发射极电压 VCE 会诱导电子 (负电荷) 向集电极移动，这就是集电极电流 IC ，这些电流的流动方向与电子的运动方向相反。双极型晶体管是电流控制型器件，通过基极电流控制集电极和发射极之间的电流。

如图2所示，晶体管可以分为 NPN 和 PNP 两种类型，两种管子电路符号的发射极箭头方向不同，箭头方向表示发射结正偏时发射极电路的实际方向，也就是说根据电路中集电极端是流入电流还是流出电流而区分使用。

引用：Rohm

晶体管是一种把输入电流进行放大的半导体元器件，其实现放大的外部条件为: 发射结正偏，集电结反偏。即对于 NPN 型晶体管，其方法的条件为：发射结正偏 (VB > VE ), 集电结反偏 (VC > VB )；对于 PNP 型晶体管，其放大的条件为：发射结正偏 (VB < VE ), 集电结反偏 (VC < VB )。

如图3所示为采用普通外延平面型结构的双极型晶体管，其制造工艺是在在具有高 n 型掺杂浓度的n+ 硅衬底上外延形成低掺杂浓度的 n-层。因此，集电极饱和电压低，击穿电压高。此外，由于在集电极到基极间使用了掺杂浓度较低的 n-层，集电极、基极间的结电容也会降低。接着，从 n-层上扩散 p型掺杂形成基极。此外，n+ 型掺杂扩散到部分基极，形成发射极。最后，在顶部形成保护膜，在顶部和底部形成电极，从而完成 NPN 型双极型晶体管。

引用：Rohm

03 FET：场效应管

3.1 Si MOSFET：硅金属氧化物半导体场效应管

N 沟道 MOSFET 在漏极和源极之间采用 NPN 结构，因此当栅极电压为零时，没有电流从漏极流向源极，如图4所示; 当施加栅极电压时，P 型半导体中的电子（负电荷）会被吸引到栅极绝缘膜的正下方，形成 N 沟道区；因此，漏极