原创 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，漏极和源极之间的形成了 N 型半导体，漏极电流开始流动，如图5所示；在P 沟道 MOSFET 的情况下，图中的 N 和 P 是相反的结构，空穴（正电荷）被吸引到栅极绝缘膜的正下方。同时，MOSFET 的栅极通过氧化膜与漏极和源极绝缘，因此不会像双极型晶体管的基极那样流过稳定的电流。因此，MOSFET 由电压驱动，所需的驱动功率较低。

引用：Rohm

MOSFET 有 N 沟道型和 P 沟道型两种，如图5所示，根据电路中漏极侧是流入电流还是流出电流来分开使用。N 沟道型 MOS 栅源间施加正电压，漏极电流流动；P 沟道型 MOS 栅源间施加负电压，漏极电流流动。

引用：Rohm

Si MOSFET 根据栅源间电压相等时漏极电流的流动方式，可以分为增强型和耗尽型。当栅源间的电压相等时，增强型漏极电流不会流动，而耗尽型漏极电流则会流动；要关断耗尽型的漏极电流，对于 N 沟道型，必须在栅极和源极之间施加负电压，而对于 P 沟道型，则必须施加正电压；此外，电路图符号也有区别：增强型在漏极, 后栅极和源极之间的垂线上有间隙，而耗尽型则绘制为一条直线，如图6所示。

为了降低导通内阻，提高开关速度和实现更高的耐压，根据 Si MOSFET 的结构，MOSFET 可以分为：沟槽栅结构 (Trench)MOSFET，屏蔽性沟槽栅结构 (Shielded Gate Trench) MOSFET, 平面栅结构 MOSFET，超结结构 MOSFET；其中沟槽栅结构和屏蔽性沟槽栅结构 Si MOSFET 主要用于中低压领域，平面栅结构和超结结构 Si MOSFET 主要用于高压领域。

如图7a所示为典型的平面栅结构 Si MOSFET。制造工艺包括在具有高浓度 n 型掺杂的 n+ 硅衬底上外延形成低掺杂浓度的 n-层；在此基础上，p 型掺杂扩散到芯片外围，形成一个保护环，从而缓和电荷集中，提高耐压；接着，硅通过热氧化形成栅极绝缘膜，在绝缘膜上使用多晶硅形成栅极电极；通过电离 n 型掺杂并以高压加速将其注入晶片，形成源区。最后，在源极和漏极形成电极，完成平面型MOSFET。

如图7b所示为典型的沟槽栅结构 Si MOSFET。通过在垂直方向上形成较深的栅极，沟道也在垂直方向上形成；这缩短了漏极和源极之间外延层（漂移层）的距离，从而降低了导通电阻；然而，由于外延层距离缩短，其耐压低于平面结构。

如图7c所示为超结结构 Si MOSFET，其中在 n 型区形成了柱状 p 型层，p 型和 n 型交替排列，由于 n 型区的场强均匀，因此耐压比上述传统结构高，此外，高浓度 n 区的形成还同时实现了低导通电阻。

引用：Rohm

屏蔽性沟槽栅结构 MOSFET(SGT: Shielded-Gate Trench MOSFET) 工艺比普通沟槽工艺挖掘深度深 3-5 倍，在栅极下方增加了一块多晶硅电极，即屏蔽电极或者耦合电极。

3.2 SiC MOSFET: 碳化硅金属氧化物半导体场效应管

SiC MOSFET 被认为可以在耐压从 600V 开始，尤其是 1kV 以上的电压领域发挥作用。就优势而言，SiC MOSFET 的导通电阻低于同等耐压的超结 MOSFET，这意味着导通电阻相同的情况下可以减少芯片面积，并显著降低恢复损耗；与目前电压为 1kV 及以上 Si IGBT 主流产品相比，SiC MOSFET在关断时的损耗更低，因此可以实现高频开关，进而实现小型化应用。

与 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 的外延层 (漂移层) 电阻较低，但沟道电阻较高，使其栅极驱动电压 (VGS ) 越高，导通电阻越低的特性。要获得足够低的导通电阻，建议使用 18V 左右的 VGS ，因此，简单地更换适合用 Si MOSFET 电路中的 MOSFET 元件将导致电路无法工作，需要重新设计栅极驱动电路。

与 Si IGBT 相比，除了可以工作在高功率环境下，SiC MOSFET 还可以工作在高频环境下，这些特性可以转化为系统应用层面的优势，比如高功率密度，高效率和低散热。

引用：TI

与 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 更适合于更高功率的应用，包括电动汽车和数据中心，一些太阳能设计、铁路牵引、风力涡轮机、网格分布与工业和医疗成像，需要在很高的电压下运行，并拥有优良的散热性能，但不总是需要进行高频开关的场景。

SiC MOSFET 的结构如图13所示，其基本结构与 Si MOSFET 相同，但衬底和外延层 (漂移层) 的半导体材料从硅 (Si) 改为碳化硅 (SiC)；SiC 可以比 Si 更薄，因为即使外延层很薄，其物理特性也能实现高耐压特性。因此，源极和漏极之间的纵向距离缩短，导通电阻显著降低。图13a为平面结构的 SiCMOSFET, 图13b为沟槽式结构，其导通电阻比平面结构更低，常被用于第三代和第四代 SiC MOSFET中。

引用：Rohm

3.3 GaN HEMT：氮化镓高电子迁移率晶体管

GaN HEMT 与 SiC MOSFET 一样是宽禁带半导体，可以通过薄漂移层实现高耐压和低导通电阻；此外，漏极和源极之间的电流以高速横向流过高迁移率的二维电子气沟道，从而实现出色的开关特性。其耐压为 650V，而 SiC MOSFET 的耐压为几 kV。

因此，GaN HEMT 适合中功率，中电压和高频应用。如：数据中心服务器，移动电话基站电源，消费类 AC 适配器，汽车车载充电器和 DCDC 转换器等，所有这些应用都需要较高的功率转化效率，以及比 SiC MOSFET 更高频率 (>200kHz) 的开关操作，因为高频工作可以使得电能转换的外围元件尺寸变小，有助于实现最终产品的小型化。

如图14所示为使用 p-GaN 栅极的典型增强型（常闭型）GaN-HEMT 的结构。在硅衬底上生长出一个 AlN（氮化铝）成核层。然后建立一个由 GaN 或 AlGaN（氮化铝镓）组成的缓冲层，以减小 Si和 GaN 之间的晶格常数差异，在此基础上，再叠加氮化镓通道层（有源层）和铝镓氮电子阻挡层，在两层之间的界面上产生一层二维电子气（Two dimensional electron gas），作为电子高速流动的通道。

引用：Rohm

04 IGBT：绝缘栅双极型晶体管

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。

IGBT 有三个端子：栅极，集电极和发射极，栅极与 MOSFET 的栅极相同，而集电极和发射极可以视为与双极型晶体管相同。作为电压控制器件，IGBT 的工作方式与 MOSFET 相似：对于 N 沟道 IGBT，向发射极施加正栅极电压 VGE , 从而使集电极和发射极之间导通，并流过集电极电流 IC 。

如图15所示为 IGBT 的等效电路及工作原理，该结构由 N 沟道 MOSFET 漏极端的 p+ 集电极层和从集电极到发射极的 p-n-p-n 排列组成。等效电路中 N 沟道 MOSFET 的漏极和 PNP 晶体管的基极是共用的，作为 IGBT 的 n-漂移层。栅极是绝缘膜上的薄膜接线，N 沟道 MOSFET 的栅极就是IGBT 的栅极；IGBT 的发射极是 n+ 层，与 N 沟道 MOSFET 的源极相对应；PNP 晶体管的集电极是 p+，与 IGBT 的发射极 N+ 层相接；PNP 晶体管的集电极是 p+，与 IGBT 的发射极 N+ 层相接。

PNP 晶体管的发射极为 p+ 层，就是 IGBT 的集电极。对发射极施加正的集电极电压 VCE，同时对发射极施加正的栅极电压 VGE 时，IGBT 即开启。在这种状态下，集电极和发射极之间发生导通，集电极电流 IC 流过。将此操作应用到等效电路中, 当施加正 VGE 时，N 沟道 MOSFET 进入导通状态。这会导致 PNP 晶体管中流过基极电流 IB , 从而使 IC在 PNP 晶体管导通时从集电极流向 IGBT 的发射极。

结构图显示了电子（-）和空穴（+）在内部的运动。当对栅极施加正 VGE 时，电子（-）会聚集在紧靠栅极下方的 p+ 层，形成沟道。这与 MOSFET 导通的原理基本相同。从 IGBT 发射极提供的电子依次移动到 n+ 层、沟道、n-漂移层和 p+ 集电极层。另一方面，p+ 集电极层向 n-漂移层提供空穴（+）。漂移层一词的由来是由于电子和空穴载流子都在这一层中移动。因此，电子从发射极转移到集电极会导致电流 IC 从集电极流向发射极。

IGBT 分立器件一般应用在家用电器和小型工业设备中，工作频率一般在 1kHz 至 60kHz 之间，输出功率低于 1kVA；与其他组件组合而成的 IGBT 模块功率范围超过 100MVA，可用于有轨电车，电动汽车等。

05 总结

功率半导体式新能源汽车动力总成的核心器件，扮演者动力总成"心脏起搏器"的重要作用，其应用可以在不同零部件中出现，比如DCDC转换器，OBC电源，电机控制器，升压模块等，随着车载多合一技术，高功率密度和低成本需求的不断提升，要求功率半导体本身也要不断地优化以提升其性能以适应新的需求。在选择何种功率半导体匹配对应应用时，如果能够从机理上能够对各种半导体进行理解，会对最终选型提供很大的帮助，本文对各种功率半导体从机理上做了一定解释，后续本公众号会持续对功率半导体的具体应用持续展开解析， 感谢各位持续关注。

来源：电力电子系统应用智库

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