一、MOS 晶體管的基本原理
概述 MOS 晶體管的基本原理。同樣也會圍繞開關功能來描述。
什么是 MOS 晶體管
在介紹 MOS 晶體管的結構之前,先來解釋一下 MOS 這個詞的意思。MOS 在英文中是Metal Oxide Silicon 的縮寫,參考下圖,柵的金屬電極是 Metal,柵的下方是一層硅熱氧化形成的二氧化硅薄膜,對應Oxide(氧化物),這層氧化物下方才是載流子的通道,是在硅材料上產生的,也就是 Silicon。將三個單詞的首字母連在一起就有了 MOS 這個名字,名字就蘊含了其構造的方式。
MOS 晶體管中,載流子要么是電子,要么是空穴,只能二選一,因此也可以把它叫作單極型晶體管。單極型的英文單詞寫作Unipolar(“uni-”是單一的意思),用來與 Bi-polar 進行區分,不過一般并不使用這個名字。器件是在施加電壓、建立電場之后發生作用的,所以叫作場效應晶體管(FieldEfectTransistor,簡稱FET)。關于FET,后面還會進行解釋。
所以MOS晶體管,全稱應該叫作“金屬氧化物半導體場效應晶體管",寫作MOSFET,后面很多地方會使用 MOSFET這個名字。
必須強調的是,這是一種用電壓來控制開關的器件,不同于用電流來控制開關的雙極型晶體管。
MOS 晶體管中各部分的作用
常常有人把 MOS 晶體管比作水閘。其實MOS晶體管中各部分都可以和水閘的例子進行類比。
下圖中,MOS晶體管的源極(Source)、漏極(Drain)和柵極(Gate).三個極可以分別理解為蓄水池、排水口和閘門。當MOS晶體管處于on 狀態的時候,就是通過控制柵極的電壓,打開溝道,使源極的載流子送到漏極。這就類似打開水閘,使蓄水池的水通過閘門流到排水口。當然,結合實際生產情況,水必須先流過并灌滿水田,才會到達排水口。
在這種情況下,水的量就好比電的量。在高速型 MOSFET中,要求能夠快速開關,就好像小型水田中,閘門都比較小,而且是用輕巧的材料制造的。而在功率型MOSFET中要求的是大電流,也就要求水流的渠道很寬,閘門也要更大更厚重。
MOS 晶體管開關的原理
在 MOS 晶體管中,依靠電壓來控制開關狀態,關鍵是中間的柵極施加在金屬柵極上的電壓,通過絕緣薄膜(薄膜電容),引起下層半導體中電荷分布的變化。半導體中的電荷分布改變,就在柵極下方形成了一個溝道(Channel,英文中也有海峽的意思)來作為載流子的通道,也叫作反型層。這時就相當于水閘打開,留出縫隙允許水流通過。當把柵極電壓取消,反型層就會消失,閘口關閉。利用這個原理,就可以通過控制柵極的電壓(簡稱“柵壓”)來控制 MOS 晶體管的開關狀態了。如下圖:
這個例子其實是一個N溝道的晶體管,可以稱為N溝道MOS晶體管,簡稱NMOS。所謂N溝道,是由N型的源極和漏極,夾住P型區域(溝道所在的區域)而構成的。與之相反的就是P溝道MOS型晶體管,簡稱PMOS。后面會介紹CMOS,就是將這兩種 MOS 器件巧妙地結合在一起進行應用。
二、功率半導體的歷史回顧
到這里為止,我們來回顧一下功率半導體的發展歷史吧。
功率半導體的起源
晶體管是威廉·肖克萊于1947年發明的。第一個晶體管是使用鍺單晶制作而成的點接觸型晶體管。限于篇幅,更多內容此處不便展開。之前也說過,后來隨著硅替代了鍺成為半導體器件的主要材料,半導體產業的發展得到了迅速提升。半導體這種電子器件被應用于電力控制,因此在1973年左右,有了PowerElectronics(電力電子器件,或功率電子器件)這種說法。Electronics是指能控制電子的器件。在筆者的學生時代,把傳信號電稱為弱電;與之相對,把動力電(能量)稱為強電。
很久之前,人們是用半導體、晶體管這樣的稱呼來統稱所有的半導體器件的。筆者進人這個行業時所學習的人門書籍中,也是這樣的說法。但記得很清楚的是,功率型MOSFET的說法,是從1960年開始使用的。筆者推測,自從1971年英特爾公司的1kbitDRAM 上市后,開始出現LSI這個詞,半導體器件才開始出現各種各樣的類別細分,直到變成現在這個樣子。
順便一提,LSI是大規模集成電路的意思,是英文Large Scaled Integration Circuit 的縮寫。在此之前都是用的IC(Integrated Circuit 的縮寫),也是集成電路的意思。現在的人不怎么用IC 這個說法了,但在20世紀80年代前期還是用得很多的。所謂集成電路,就是把晶體管、二極管之類的有源元件,還有電阻、電容之類的無源元件,集成在同一個載體上而形成的。
之后,功率半導體隨著開發和改良,不斷進步,出現了很多器件類型,比如后面將要提到的 IGBT。半導體整個發展歷史都在下圖做了總結。
功率半導體的功能
如前面的章節所說,功率半導體的主要功能是電力轉換。在號稱能源社會的21世紀功率半導體就顯得越發重要。前面也提到過,電信號分為直流(DC:DirectCurrent)和交流(AC:AltermatingCurrent)兩種類型。一般用于電力傳輸的信號是交流信號,因為這樣傳輸效率比較高。如果采用直流輸電,由于電阻很大,會有很大的電力損耗(Loss)。交流轉直流、直流轉交流的裝置是必不可少的,其中都少不了功率半導體的應用。
從水銀整流器到硅控整流器
把交流信號轉為直流信號,這個過程叫作整流。在功率半導體登場以前,擔任整流任務的都是水銀整流器。但是水銀整流器是依靠真空中水銀的放電現象來工作的,受到諸多制約,可靠性也很有問題。后來解決這個難題的是晶閘管/可控硅(Thyristor)。1956年GE會公司發明并推出了SCR(Silicon-Controlled Rectifer,硅控整流器),1963 年正式命名為 Thyristor。其工作原理將后面介紹。
之后,硅單晶的純度越來越高,耐壓性、電流強度等性能也在不斷改善,于是功率半導體逐漸在半導體產業中占有一席之地。隨著用途變得更為廣泛,要求功率半導體能夠承受更高的電壓,這對硅單晶的品質提出越來越高的要求,而大電流化也要求更大尺寸的硅晶圓。關于硅單晶和晶圓制造的知識,都將在后面介紹。這些問題解決之后,功率半導體廣泛應用的時代就開始了。如今,功率半導體也還在不斷謀求性能的提升,后面將詳細介紹。
水銀整流器是在 20 世紀 60 年代后期才退出市場的,最后還在使用它的是電力機車。
硅材料以及其他新型材料
功率半導體的基礎材料,現在依然是以硅材料為主流。但是作為未來發展趨勢,有人正在嘗試脫離硅,甚至有人提出了 Beyond Silicon(超越硅)的目標。碳化硅和氮化鎵的性能都遠遠強于硅,它們的時代正在到來。另一方面,在先進大規模集成電路(LSI)的領域里,人們也早就提出了脫離摩爾定律的口號。無論是功率半導體還是LSI,業界的呼聲都預示著以往的范式必須被顛覆。功率半導體的前途,極大地依賴于材料的創新,而根本性的創新一定要從半導體產業的最上游人手,才能清楚地找到自己的發展道路。關于新型材料的內容,將在后面詳細介紹。
三、功率型 MOSFET 的登場
功率型 MOSFET中的“功率型”表示屬于功率半導體,與LSI中的MOSFET進行區分。FET是Field Efect Transistor的縮寫,意思是場效應晶體管。
更快的開關特性
功率半導體從20世紀50年代登場以來,隨著雙極型晶體管的廣泛應用,一度進人了全盛期。但存在的問題也很多,其中之一是對器件的開關速度提出了更高的要求,而雙極型晶體管在高速化方面的確是存在局限的。原因是由于雙極型晶體管同時使用電子和空穴兩種載流子,并以電流來控制開關,所以一般來說速度會比較慢。為了解決這一難題,場效應晶體管(FET:Field EfectTransistor),也就是如今的功率型 MOSFET 登場了。
MOSFET 概念的歷史
其實場效應晶體管的雛形很早就出現了。早在 1930年,德國萊比錫大學的J·利連費爾德提出了最早的模型,并申請了專利。在他之后,同樣因發明晶體管而出名的,是威廉·肖克菜,他在 1947年第一次嘗試用鍺晶體制作出點接觸型場效應晶體管。1964年祖里格和泰格奈爾分別提出了功率型 MOSFET的概念,也就是如今的功率半導體。由此看來,場效應晶體管的確是歷史悠久。
此外還有結型場效應晶體管(JFET,J=juncton,結合的意思),與MOSFET一樣屬于FET 的范疇。JFET現在幾乎已經不再使用,也就不再提及。
雙極型晶體管和 MOSFET的比較
雙極型晶體管(Bipolar Transistor)和 MOSFET的區別,請看下圖。圖中說明了主要的區別,但是對細節做了省略。雙極型晶體管中,有發射極、基極、集電極三個電極,對兩個 PN結施加不同的偏壓,從而控制其中的載流子流動。電流的開關狀態,是由基極電流來控制的,所以是一種用電流來控制開關狀態的器件。
另一方面,MOSFET有源極、漏極、柵極三個電極,上圖中是P溝道 MOSFET器件,對柵極施加電壓后,源極和漏極兩個N型區域之間的P型區域發生反型(部分P型區域暫時反轉為N型區域),形成允許電子流過的N溝道(Channel),只要源極和漏極之間存在偏壓,就會有電流流過。
所以對比起來,雙極型晶體管是電流控制器件,MOSFET是電壓控制器件,這是兩者在工作原理上的根本區別。雙極型晶體管中有電流從基極流過,并控制著器件的開關狀態。在 MOSFET中,向柵極施加柵壓并超過閾值電壓時,器件導通,反之則器件截止,但無論如何,柵極上只會有電壓,而不會有電流。因此控制 MOSFET幾乎不需要消耗電能非常節能,這是很大的優點。
另外,上圖中,雙極型晶體管和 MOSFET的N型區域和P型區域的配置方式也是不一樣的。前者是PNP的組合方式,后者是兩個N型區域,在中間的P型區域中形成N溝道。后續章節中還會繼續討論兩種器件的區別。
四、雙極型晶體管與 MOSFET 的結合--IGBT 的登場
這里我們簡單回顧一下歷史,看看IGBT是如何作為功率半導體領域的新星而登場的,以及它有什么特點。
IGBT 登場之前
雙極型晶體管、功率型 MOSFET曾經是功率半導體的主打陣容。雙極型晶體管比較能夠耐高電壓,但速度難以提高。而 MOSFET 具有一定的高速化的潛力,但是在器件構造還有耐壓性上都存在困難。隨著功率半導體應用范圍的持續拓展,對耐壓和高速開關的性能需求也日益緊迫。一定程度上,耐壓和高速開關兩種性能是互相矛盾的,也是個兩難的命題。單純地改進這兩種器件的任何一種,都無法得到好的結果。但是IGBT的登場改變了這個情況。
IGBT 的特征
IGBT是 Insulated Gate Bipolar Transistor的簡稱,譯為絕緣柵雙極型晶體管。從名字上理解,是否就是一種帶有絕緣柵的雙極型晶體管呢?實際上,它與我們所了解的雙極型晶體管和功率型 MOSFET 都不太一樣。
簡單來說,IGBT就是在PNP雙極型晶體管上附加N溝道增強型MOSFET所形成的器件??赡苡凶x者還不懂什么是N溝道增強型 MOSFET,這個我們將在后面介紹。下圖展示了 IGBT的結構示意圖。圖畫得非常簡略,目的只是為了讓讀者了解:IGBT是“結合了雙極型晶體管和功率型 MOSFET 雙方優點”的一種器件。上方的MOSFET結構起到開關的作用,導通后允許電流縱向流動(沿著下方PNP型雙極型晶體管的方向),并且電流值很大,符合功率器件的要求。這里所謂的縱向流動,其實是指電流在晶圓的厚度方向流動,就像功率型 MOSFET那樣。從晶圓平面來看,開關是在水平方向起作用的,而電流是向晶圓垂直方向流動的。
IGBT 的設計結合了雙極型晶體管和功率型MOSFET雙方的優點。其中,MOSFET部分貢獻了高速的開關性能,雙極型部分貢獻了大電流和耐壓性能。與之類似,大規模集成電路(LSI)中也有集雙極型晶體管和CMOS各自優點而成的BiCMOS器件,所以IGBT也可以理解成功率半導體版的 BiCMOS 吧。
如上圖所示,IGBT是20世紀80年代出現的,具有高速度、大功率的優點,因此一上市就大受歡迎。例如,用二極管、濾波電容等將交流信號整流成直流信號后,如果需要再變成交流信號,就需要逆變器,IGBT由于其高速性,可以用來制造高速逆變器。第4章將會提到豐田的混合動力汽車(Hybrid Vehicle),還有新干線的N700系列車,都使用了IGBT 器件。
五、信號轉換
這里簡單介紹一下大規模集成電路(LSI)中是如何利用 MOSFET 進行信號轉換的,希望能讓讀者對半導體知識有更廣泛的了解。
什么是信號轉換
我們曾經說過,功率半導體是實現電力轉換的器件。與之相對的,數字電路作為目前LSI中的主要代表,就是實現信號轉換的電路。這里我們將介紹數字電路的基本門電路,以及反相器(Inverter)的概念。基本門電路,是用來實現數字信號轉換的基本器件。Inverter這個詞,在功率半導體中我們也見到過了,當時說它是將直流電轉換為交流電的逆變器。但在數字電路中,同樣是Inverter,實現的功能卻是0和1的轉換。
下面筆者就以自己的方式,對信號轉換這個概念做一個介紹。
在數字電路中,使用二進制來計數。讀者熟悉的十進制計數法中,是用0、1、2.3……9這十個數字來計數的。但在二進制計數法中,只有0和1兩個數字,然后用0、1、10、11、100……這樣的方式來進行計數。
數字電路中,電壓不再有具體數值,而是只有高(High)和低(Low)兩個相對狀態。二進制就是用1和0分別來表示“高”和“低”這兩個狀態,非常簡單明了。兩個狀態會互相轉換,在數字電路中,實現這種轉換的器件就叫作反相器(Inverter),或是邏輯非門,簡稱非門。
請看下圖,這里展示的是一個反相器的基本功能(a)、電路符號(b),還附上了真值表(c)供讀者參考。
了解這些之后,我們就要開始介紹 MOSFET 是如何構成這樣的反相器的。CMOS 反相器的基本原理
我們來看看典型的 CMOS 反相器的工作原理。
首先,所謂CMOS 就是 Complementary MOS 的簡稱,意思是互補型 MOS。看下圖的左圖就可以知道,CMOS是由一個N型MOSFET和一個P型MOSFET構成,將它們的柵極對柵極、漏極對漏極連接在一起,就構成了CMOS器件。柵極是信號輸人端,漏極是信號輸出端。
然后將P型MOSFET的源極與電源(Vdd)相連,將型MOSFET的源極與地線(CND)相連。數字電路中,電源就相當于二進制的1,地線就相當于二進制的0。將N型MOSFET(以后簡稱NMOS)和P型MOSFET(以后簡稱PMOS)的柵極對柵極連接在一起作為整個器件的輸入極(in),漏極對漏極連接在一起作為整個器件的輸出極(out)就可以實現反相器的作用了:
當在輸入極(in)輸入1(即高電壓)時,只有NMOS導通,而PMOS是保持截止的(這里限于篇幅,具體原理不做解釋)。相對應的,地線通過導通的NMOS與輸出極(out)相連,于是就輸出0的信號,與輸人信號1正好相反。與之相反,當在輸人極輸入0時只有 PMOS 導通,而NMOS截止。于是,電源(Vdd)通過PMOS與out相連,輸出1的信號,也與輸人信號相反。
簡而言之,CMOS的out信號總是與in信號相反,實現了信號的反向,這就是CMOS反相器的基本原理。
以上就是“Imverter”這個概念在功率半導體和大規模集成電路中的區別。針對同一個概念或事物,把它在功率半導體和大規模集成電路(后文都簡稱集成電路或 LSI)這兩個不同領域中的相同點和不同點列舉出來,從而更加認識功率半導體的特點。
功率半導體和大規模集成電路在制造工藝上的區別,將在后面討論。另外,文中提到載流子的時候,在不同的例子中具體是指電子還是空穴,為方便讀者記憶,只需記住:在NMOS中載流子就是電子,在 PMOS 中載流子就是空穴。