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(huì)圍繞開關(guān)功能來描述。

什么是 MOS 晶體管

在介紹 MOS 晶體管的結(jié)構(gòu)之前，先來解釋一下 MOS 這個(gè)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(duì)應(yīng)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(chǎn)生的，也就是 Silicon。將三個(gè)單詞的首字母連在一起就有了 MOS 這個(gè)名字,名字就蘊(yùn)含了其構(gòu)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(jìn)行區(qū)分，不過一般并不使用這個(gè)名字。器件是在施加電壓、建立電場(chǎng)之后發(fā)生作用的，所以叫作場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FieldEfectTransistor，簡(jiǎn)稱FET)。關(guān)于FET，后面還會(huì)進(jìn)行解釋。

所以MOS晶體管，全稱應(yīng)該叫作“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管"，寫作MOSFET，后面很多地方會(huì)使用 MOSFET這個(gè)名字。

必須強(qiáng)調(diào)的是，這是一種用電壓來控制開關(guān)的器件，不同于用電流來控制開關(guān)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(shí)MOS晶體管中各部分都可以和水閘的例子進(jìn)行類比。

下圖中，MOS晶體管的源極(Source)、漏極(Drain)和柵極(Gate).三個(gè)極可以分別理解為蓄水池、排水口和閘門。當(dāng)MOS晶體管處于on 狀態(tài)的時(shí)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(dāng)然，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，水必須先流過并灌滿水田，才會(huì)到達(dá)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(guān)，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(guān)的原理

在 MOS 晶體管中，依靠電壓來控制開關(guān)狀態(tài)，關(guān)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(dǎo)體中電荷分布的變化。半導(dǎo)體中的電荷分布改變，就在柵極下方形成了一個(gè)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(shí)就相當(dāng)于水閘打開，留出縫隙允許水流通過。當(dāng)把柵極電壓取消，反型層就會(huì)消失，閘口關(guān)閉。利用這個(gè)原理，就可以通過控制柵極的電壓(簡(jiǎn)稱“柵壓”)來控制 MOS 晶體管的開關(guān)狀態(tài)了。如下圖：

這個(gè)例子其實(shí)是一個(gè)N溝道的晶體管，可以稱為N溝道MOS晶體管，簡(jiǎn)稱NMOS。所謂N溝道，是由N型的源極和漏極，夾住P型區(qū)域(溝道所在的區(qū)域)而構(gòu)成的。與之相反的就是P溝道MOS型晶體管，簡(jiǎn)稱PMOS。后面會(huì)介紹CMOS，就是將這兩種 MOS 器件巧妙地結(jié)合在一起進(jìn)行應(yīng)用。

二、功率半導(dǎo)體的歷史回顧

到這里為止，我們來回顧一下功率半導(dǎo)體的發(fā)展歷史吧。

功率半導(dǎo)體的起源

晶體管是威廉·肖克萊于1947年發(fā)明的。第一個(gè)晶體管是使用鍺單晶制作而成的點(diǎn)接觸型晶體管。限于篇幅，更多內(nèi)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(dǎo)體器件的主要材料，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了迅速提升。半導(dǎo)體這種電子器件被應(yīng)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(xué)生時(shí)代，把傳信號(hào)電稱為弱電;與之相對(duì)，把動(dòng)力電(能量)稱為強(qiáng)電。

很久之前，人們是用半導(dǎo)體、晶體管這樣的稱呼來統(tǒng)稱所有的半導(dǎo)體器件的。筆者進(jìn)人這個(gè)行業(yè)時(shí)所學(xué)習(xí)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(cè)，自從1971年英特爾公司的1kbitDRAM 上市后，開始出現(xiàn)LSI這個(gè)詞，半導(dǎo)體器件才開始出現(xiàn)各種各樣的類別細(xì)分，直到變成現(xiàn)在這個(gè)樣子。

順便一提，LSI是大規(guī)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?，F(xiàn)在的人不怎么用IC 這個(gè)說法了，但在20世紀(jì)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(gè)載體上而形成的。

之后，功率半導(dǎo)體隨著開發(fā)和改良，不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了很多器件類型，比如后面將要提到的 IGBT。半導(dǎo)體整個(gè)發(fā)展歷史都在下圖做了總結(jié)。

功率半導(dǎo)體的功能

如前面的章節(jié)所說，功率半導(dǎo)體的主要功能是電力轉(zhuǎn)換。在號(hào)稱能源社會(huì)的21世紀(jì)功率半導(dǎo)體就顯得越發(fā)重要。前面也提到過，電信號(hào)分為直流(DC:DirectCurrent)和交流(AC:AltermatingCurrent)兩種類型。一般用于電力傳輸?shù)男盘?hào)是交流信號(hào)，因?yàn)檫@樣傳輸效率比較高。如果采用直流輸電，由于電阻很大，會(huì)有很大的電力損耗(Loss)。交流轉(zhuǎn)直流、直流轉(zhuǎn)交流的裝置是必不可少的，其中都少不了功率半導(dǎo)體的應(yīng)用。

從水銀整流器到硅控整流器

把交流信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào)，這個(gè)過程叫作整流。在功率半導(dǎo)體登場(chǎng)以前，擔(dān)任整流任務(wù)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(xiàn)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(gè)難題的是晶閘管/可控硅(Thyristor)。1956年GE會(huì)公司發(fā)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(qiáng)度等性能也在不斷改善，于是功率半導(dǎo)體逐漸在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中占有一席之地。隨著用途變得更為廣泛，要求功率半導(dǎo)體能夠承受更高的電壓，這對(duì)硅單晶的品質(zhì)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(guān)于硅單晶和晶圓制造的知識(shí)，都將在后面介紹。這些問題解決之后，功率半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用的時(shí)代就開始了。如今，功率半導(dǎo)體也還在不斷謀求性能的提升，后面將詳細(xì)介紹。

水銀整流器是在 20 世紀(jì) 60 年代后期才退出市場(chǎng)的，最后還在使用它的是電力機(jī)車。

硅材料以及其他新型材料

功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料，現(xiàn)在依然是以硅材料為主流。但是作為未來發(fā)展趨勢(shì)，有人正在嘗試脫離硅，甚至有人提出了 Beyond Silicon(超越硅)的目標(biāo)。碳化硅和氮化鎵的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于硅，它們的時(shí)代正在到來。另一方面，在先進(jìn)大規(guī)模集成電路(LSI)的領(lǐng)域里，人們也早就提出了脫離摩爾定律的口號(hào)。無論是功率半導(dǎo)體還是LSI，業(yè)界的呼聲都預(yù)示著以往的范式必須被顛覆。功率半導(dǎo)體的前途，極大地依賴于材料的創(chuàng)新，而根本性的創(chuàng)新一定要從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最上游人手，才能清楚地找到自己的發(fā)展道路。關(guān)于新型材料的內(nèi)容，將在后面詳細(xì)介紹。

三、功率型 MOSFET 的登場(chǎng)

功率型 MOSFET中的“功率型”表示屬于功率半導(dǎo)體，與LSI中的MOSFET進(jìn)行區(qū)分。FET是Field Efect Transistor的縮寫，意思是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

更快的開關(guān)特性

功率半導(dǎo)體從20世紀(jì)50年代登場(chǎng)以來，隨著雙極型晶體管的廣泛應(yīng)用，一度進(jìn)人了全盛期。但存在的問題也很多，其中之一是對(duì)器件的開關(guān)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(shí)使用電子和空穴兩種載流子，并以電流來控制開關(guān)，所以一般來說速度會(huì)比較慢。為了解決這一難題，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET:Field EfectTransistor)，也就是如今的功率型 MOSFET 登場(chǎng)了。

MOSFET 概念的歷史

其實(shí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的雛形很早就出現(xiàn)了。早在 1930年，德國(guó)萊比錫大學(xué)的J·利連費(fèi)爾德提出了最早的模型，并申請(qǐng)了專利。在他之后，同樣因發(fā)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(diǎn)接觸型場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)體。由此看來，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的確是歷史悠久。

此外還有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET，J=juncton，結(jié)合的意思)，與MOSFET一樣屬于FET 的范疇。JFET現(xiàn)在幾乎已經(jīng)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(qū)別，請(qǐng)看下圖。圖中說明了主要的區(qū)別，但是對(duì)細(xì)節(jié)做了省略。雙極型晶體管中，有發(fā)射極、基極、集電極三個(gè)電極，對(duì)兩個(gè) PN結(jié)施加不同的偏壓，從而控制其中的載流子流動(dòng)。電流的開關(guān)狀態(tài)，是由基極電流來控制的，所以是一種用電流來控制開關(guān)狀態(tài)的器件。

另一方面，MOSFET有源極、漏極、柵極三個(gè)電極，上圖中是P溝道 MOSFET器件，對(duì)柵極施加電壓后，源極和漏極兩個(gè)N型區(qū)域之間的P型區(qū)域發(fā)生反型(部分P型區(qū)域暫時(shí)反轉(zhuǎn)為N型區(qū)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(huì)有電流流過。

所以對(duì)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(qū)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(guān)狀態(tài)。在 MOSFET中，向柵極施加?xùn)艍翰⒊^閾值電壓時(shí)，器件導(dǎo)通，反之則器件截止，但無論如何，柵極上只會(huì)有電壓，而不會(huì)有電流。因此控制 MOSFET幾乎不需要消耗電能非常節(jié)能，這是很大的優(yōu)點(diǎn)。

另外，上圖中，雙極型晶體管和 MOSFET的N型區(qū)域和P型區(qū)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(gè)N型區(qū)域，在中間的P型區(qū)域中形成N溝道。后續(xù)章節(jié)中還會(huì)繼續(xù)討論兩種器件的區(qū)別。

四、雙極型晶體管與 MOSFET 的結(jié)合--IGBT 的登場(chǎng)

這里我們簡(jiǎn)單回顧一下歷史，看看IGBT是如何作為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的新星而登場(chǎng)的，以及它有什么特點(diǎn)。

IGBT 登場(chǎng)之前

雙極型晶體管、功率型 MOSFET曾經(jīng)是功率半導(dǎo)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(gòu)造還有耐壓性上都存在困難。隨著功率半導(dǎo)體應(yīng)用范圍的持續(xù)拓展，對(duì)耐壓和高速開關(guān)的性能需求也日益緊迫。一定程度上，耐壓和高速開關(guān)兩種性能是互相矛盾的，也是個(gè)兩難的命題。單純地改進(jìn)這兩種器件的任何一種，都無法得到好的結(jié)果。但是IGBT的登場(chǎng)改變了這個(gè)情況。

IGBT 的特征

IGBT是 Insulated Gate Bipolar Transistor的簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)單來說，IGBT就是在PNP雙極型晶體管上附加N溝道增強(qiáng)型MOSFET所形成的器件。可能有讀者還不懂什么是N溝道增強(qiáng)型 MOSFET，這個(gè)我們將在后面介紹。下圖展示了 IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖畫得非常簡(jiǎn)略，目的只是為了讓讀者了解:IGBT是“結(jié)合了雙極型晶體管和功率型 MOSFET 雙方優(yōu)點(diǎn)”的一種器件。上方的MOSFET結(jié)構(gòu)起到開關(guān)的作用，導(dǎo)通后允許電流縱向流動(dòng)(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(dòng)，其實(shí)是指電流在晶圓的厚度方向流動(dòng)，就像功率型 MOSFET那樣。從晶圓平面來看，開關(guān)是在水平方向起作用的，而電流是向晶圓垂直方向流動(dòng)的。

IGBT 的設(shè)計(jì)結(jié)合了雙極型晶體管和功率型MOSFET雙方的優(yōu)點(diǎn)。其中，MOSFET部分貢獻(xiàn)了高速的開關(guān)性能，雙極型部分貢獻(xiàn)了大電流和耐壓性能。與之類似，大規(guī)模集成電路(LSI)中也有集雙極型晶體管和CMOS各自優(yōu)點(diǎn)而成的BiCMOS器件，所以IGBT也可以理解成功率半導(dǎo)體版的 BiCMOS 吧。

如上圖所示，IGBT是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的，具有高速度、大功率的優(yōu)點(diǎn)，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(hào)整流成直流信號(hào)后，如果需要再變成交流信號(hào)，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(huì)提到豐田的混合動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換

這里簡(jiǎn)單介紹一下大規(guī)模集成電路(LSI)中是如何利用 MOSFET 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的，希望能讓讀者對(duì)半導(dǎo)體知識(shí)有更廣泛的了解。

什么是信號(hào)轉(zhuǎn)換

我們?cè)?jīng)說過，功率半導(dǎo)體是實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換的器件。與之相對(duì)的，數(shù)字電路作為目前LSI中的主要代表，就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的電路。這里我們將介紹數(shù)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(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的基本器件。Inverter這個(gè)詞，在功率半導(dǎo)體中我們也見到過了，當(dāng)時(shí)說它是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器。但在數(shù)字電路中，同樣是Inverter，實(shí)現(xiàn)的功能卻是0和1的轉(zhuǎn)換。

下面筆者就以自己的方式，對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換這個(gè)概念做一個(gè)介紹。

在數(shù)字電路中，使用二進(jìn)制來計(jì)數(shù)。讀者熟悉的十進(jìn)制計(jì)數(shù)法中，是用0、1、2.3……9這十個(gè)數(shù)字來計(jì)數(shù)的。但在二進(jìn)制計(jì)數(shù)法中，只有0和1兩個(gè)數(shù)字，然后用0、1、10、11、100……這樣的方式來進(jìn)行計(jì)數(shù)。

數(shù)字電路中，電壓不再有具體數(shù)值，而是只有高(High)和低(Low)兩個(gè)相對(duì)狀態(tài)。二進(jìn)制就是用1和0分別來表示“高”和“低”這兩個(gè)狀態(tài)，非常簡(jiǎn)單明了。兩個(gè)狀態(tài)會(huì)互相轉(zhuǎn)換，在數(shù)字電路中，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的器件就叫作反相器(Inverter)，或是邏輯非門，簡(jiǎn)稱非門。

請(qǐng)看下圖，這里展示的是一個(gè)反相器的基本功能(a)、電路符號(hào)(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(gòu)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(jiǎn)稱，意思是互補(bǔ)型 MOS?？聪聢D的左圖就可以知道，CMOS是由一個(gè)N型MOSFET和一個(gè)P型MOSFET構(gòu)成，將它們的柵極對(duì)柵極、漏極對(duì)漏極連接在一起，就構(gòu)成了CMOS器件。柵極是信號(hào)輸人端，漏極是信號(hào)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(shù)字電路中，電源就相當(dāng)于二進(jìn)制的1，地線就相當(dāng)于二進(jìn)制的0。將N型MOSFET(以后簡(jiǎn)稱NMOS)和P型MOSFET(以后簡(jiǎn)稱PMOS)的柵極對(duì)柵極連接在一起作為整個(gè)器件的輸入極(in)，漏極對(duì)漏極連接在一起作為整個(gè)器件的輸出極(out)就可以實(shí)現(xiàn)反相器的作用了:

當(dāng)在輸入極(in)輸入1(即高電壓)時(shí)，只有NMOS導(dǎo)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(duì)應(yīng)的，地線通過導(dǎo)通的NMOS與輸出極(out)相連，于是就輸出0的信號(hào)，與輸人信號(hào)1正好相反。與之相反，當(dāng)在輸人極輸入0時(shí)只有 PMOS 導(dǎo)通，而NMOS截止。于是，電源(Vdd)通過PMOS與out相連，輸出1的信號(hào)，也與輸人信號(hào)相反。

簡(jiǎn)而言之，CMOS的out信號(hào)總是與in信號(hào)相反，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的反向，這就是CMOS反相器的基本原理。

以上就是“Imverter”這個(gè)概念在功率半導(dǎo)體和大規(guī)模集成電路中的區(qū)別。針對(duì)同一個(gè)概念或事物，把它在功率半導(dǎo)體和大規(guī)模集成電路(后文都簡(jiǎn)稱集成電路或 LSI)這兩個(gè)不同領(lǐng)域中的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)列舉出來，從而更加認(rèn)識(shí)功率半導(dǎo)體的特點(diǎn)。

功率半導(dǎo)體和大規(guī)模集成電路在制造工藝上的區(qū)別，將在后面討論。另外，文中提到載流子的時(shí)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。