功率半导体 | 二极管、大电流双极型晶体管、双向晶闸管的基本原理

一、单向导通的二极管

首先来说一下二极管。大家所熟知的 LED，也就是发光二极管，可能是二极管家族中最有名的一种。但是二极管的作用当然远远不止于发光。功率半导体能实现整流作用，都是因为二极管的贡献。

二极管的整流作用

二极管(Diode)的原意是带有两个(di-)电极(-ode)的元件，是一个二端子(电极)器件。它最大的作用就是整流。我们已经反复提过，功率半导体实现电力转换的方式之一，就是利用了整流器(Converter)。所谓整流作用，就是使电流只能向一个方向流动。

电流分为直流(DC:DirectCurent)、交流(AC:AltermatingCurrent)。功率半导体是在交流电与直流电之间实现转换的重要器件。在日常生活中，一般是把100V的交流电(译者注:这是日本的情况。中国是220V交流电)转换为直流电然后供给家用电器使用。其中的第一个步骤如下图所示，通过整流作用，将交流电转换为单向的纹波电流(或者也可以称为直流脉冲电流)。而实现这种整流作用的，就是二极管。

要将交流信号转换为直流信号，在上述的整流之后，还需要用滤波电容将电流变得更加均匀，减少纹波。实际的二极管整流电路如下图所示。

这里是对单相交流电进行整流，用到了4个整流二极管，构成了桥式整流电路。二极管的电路符号也在图中表示了出来。4个二极管的排列方式如左图所示，它们在工作时实际起到的作用可以等价于右图，相当于4个机械开关。当电流是正向电流时，流过的路径如下图(a)所示。反之，电流是反向电流时，流过的路径如下图(b)所示。

二极管的电路符号中有一个三角形(∆)，表示二极管只允许电流朝这个方向流动。因此，交流电源按顺时针流出正向电流的时候，只能沿着上图(a)的路径流动。交流电源电流变为反向时，电流只能沿着上图(b)的路径流动。4个二极管中，相对位置的两个管子两两组合，分别通过正、反向电流。值得注意的是，无论电源流出的电流是正向还是反向，负载上的电流方向始终是不变的(图中是从上到下)。正是因为负载上电流方向不变的特性，才可以说这个电路起到了整流作用。将4个二极管等价为上图中的4个机械开关来看，正向电流时，开关S1和S4 闭合，而S2和 S3 断开;反向电流时情况相反，可以想象。如此也可以实现整流作用将交流电转换为直流电。但是如果真的用这样的机械开关来控制电路，开关的通断需要人工操作，显然会非常困难。如果用二极管代替机械开关，由于二极管本身的单向导通特性，自动控制电流的流向，可以很轻易地实现高速的变换。

也有的作者会提到二极管的反向截止特性，其实与我们所提的正向导通是一体两面的，结合在一起可以帮助读者更好地理解二极管的原理。

二极管整流作用的实现原理

要从物理层面解释整流是如何实现的，就离不开PN结。我们曾经看到过 PN 结施加偏压后的情况。下图中也把它们引用过来一起比较。

说明固体硅的物理特性时，通常要画出它的能带图(EnergyBand:在固体电子学中，画出晶体中电子的能量分布，会发现主要分布为价带、禁带和导带三个部分)。本内容面向初学者，尽量避免使用这些过于专业的方式。所以这里把所谓的能带比喻成一个斜坡，帮助大家理解。大家可以这样想象:在PN结中存在着一个斜坡(可以看作载流子向某方向移动的难易程度)，并且随着外加偏压的变化，斜坡的坡度也在变化。不加任何偏压，即偏压为0V 时，斜坡的坡度以虚线表示。当外加偏压为正时，坡度会变平缓，使载流子更容易流动，于是电流增大，也就是二极管的正向导通。当外加偏压为负时，坡度会变得陡峭使载流子难以流动，于是电流就会变小直至消失，也就是二极管的反向截止。结合上图的内容，希望这样能帮助读者理解整流的实现原理。

外加偏压为正时，电流方向是从P型半导体流向N型半导体，而电子的流动方向是反过来从 N型流向P型的。电流方向其实是指正电荷的移动方向，而电子却是带负电荷，所以电子的移动方向一定是与电流的方向相反的。

二、大电流双极型晶体管

双极型晶体管比二极管多一个极，主要是在大电流电路中作为开关使用。

什么是双极型晶体管

我们已经认识了双极型晶体管，这里将更加详细地介绍它的基本原理和特性，MOS 晶体管是电压驱动器件，而双极型晶体管是电流驱动器件，有 NPN型和 PNP型两种类型，每种类型都含有两个相连的PN结。下图中再次为我们画出了 PNP 型晶体管的结构模型和电路符号。

为何称为“双极型”晶体管?因为其中有电子和空穴两种不同极性的载流子同时工作，所以叫作“双极型”。与之相对的，MOS 型晶体管中只有多数载流子起到作用，因此也可以被称为“单极型”晶体管，但只是用来与“双极型”做对比实际并没有人使用这种称呼。要理解器件中多数载流子(MajorityCarrier)和少数载流子(Minority Carier)的工作原理，双极型晶体管是一个很好的例子。另外，双极型晶体管也可以称作多结器件，因为它里面含有两个PN结。

高速开关电路的必要性

之前我们学到交流电整流变成直流电，现在来看看直流电如何变为交流电。这同样要用到功率半导体，也就是所谓的逆变器。逆变器把直流电转换为交流电，实际上可以想象成把直流电进行切割，变成一系列脉冲，就像下图所示的变化一样。要实现这种切割、就需要高速开关电路。下图(b)中为了表示方便，把所有脉冲的宽度画成了一样的，实际情况中，各个脉冲的宽度都是不一样的，感兴趣的读者可以了解一下“脉冲宽度调制(PWM)”。切割后得到的脉冲波形还需要输人给LC振荡电路（L是电感，C是电容，它们可以一起形成振荡电路。在逆变器里，振荡电路的主要作用是把切割出来的脉冲波进行滤波，平滑成近似正弦波，也就是正弦交流电的样子），使波形进一步被转换为接近正弦波。由于LC振荡电路的原理与功率半导体无关，所以这里不多赘述。

逆变器中，需要用到不同类型的晶体管来实现上述的切割，也就是高速开关的作用。前一节说过，利用二极管的单向导电性，通过控制外加电压的方向来控制电流的通断，如此形成一种开关作用。这所讲的双极型晶体管，其开关的原理是与二极管不一样的。

从这部分开始直到后面的IGBT 器件，会详细介绍每一种功率半导体都是如何实现开关作用的。

双极型晶体管的原理

首先复习一下:双极型晶体管有基极、发射极、集电极三个电极，是一种三端器件;其中，发射极(Emitter)可以发出载流子;集电极(Collecter)用来收集发射极发出的载流子:基极(Base)在双极型晶体管电路中，可用来控制基极电流，使双极型晶体管实现开启或关断。

下图中画出了PNP型双极型晶体管的结构示意图。它其实是两个PN结“背靠背”连接在一起而形成的。从左到右三个区域依次是发射区、基区、电区。其中集电医的掺杂浓度比发射极的低。

但是仅仅有 PN结，还不能算是一个器件，还需要引出电极、连成回路才行。为此，晶体管与外电路有三种不同的连接方式:共发射极、共基极、共集电极(共某极简单来说，就是让某极接地)。这里先讨论共基极(即基极接地（与大地(GND)连接，通常认为电压为 0V）)的情况。接下来要解决的问题是这里的两个 PN 结要如何施加偏压。所谓偏压，就是说在电极之间，施加什么方向的电压。通常来说，要让双极型晶体管正常工作，发射极-基极之间接正向偏压，集电极-基极之间接反向偏压，如下图所示。下一个关键问题是，如何让双极型晶体管起到开关作用呢?此时，由于发射极与基极之间施加了一定大小的正向偏压，来自发射极区域的多数载流子(本例的 PNP晶体管中就是指空穴)被送到基极的区域，如果能继续通过长度很短的基极区域，那么载流子就从发射区到了集电区。也就是图中所画的，形成了集电极电流，此时电路的开关状态为开on)。

此时，基极和发射极之间的正向偏压必须大于一定的值(对于用硅制成的器件来说大约为 0.7V)。但是如果这个正向偏压减小到0，甚至变成反向偏压，发射极的多数载流子就无法流向基极和集电极，整个器件就会变为关(of)的状态。

双极型晶体管的工作过程

下面的内容可能会更加有难度。笔者将从双极型晶体管的1-V(电流-电压)特性曲线说起，并增加一些关于双极型晶体管工作原理的解释。下图中画出了双极型晶体管的1-V特性曲线，其中y轴表示电流，x轴表示电压。图中的曲线表示了:当集电极C与发射极E之间的电压差 V_CE发生变化时，所对应的集电极电流Ⅰ_C的变化。基极电流Ⅰ_B也是一项可变参数，影响着 V_CE与Ⅰ_C之间的变化关系。从图中可以看出，当基极电流Ⅰ_B增大时，对应同样的 V_CE，集电极电流Ⅰ_C也会增大。这样就可以通过控制基极电流Ⅰ_B来控制集电极电流Ⅰ_C，这就是为什么双极型晶体管是电流控制器件的原因。

如果基极电流Ⅰ_B为0，集电极电流Ⅰ_C也会消失，这就对应了图中所示的截止区，双极型晶体管此时处于截止状态(off)。当基极电流Ⅰ_B从0逐渐增大，集电极电流Ⅰ_C也会随之出现，并且进人图中的线性放大区，双极型晶体管处于开启状态(on)，电源电压和负载共同决定着集电极电流Ⅰ_C 的变化范围。如果基极电流Ⅰ_B持续增大，达到一定程度后，Ⅰ_C的变化程度会越来越小，直至不变(达到了饱和)。这时双极型晶体管虽然还是处于开启状态，但其实已经进人了饱和区，实际应用作为开关时，晶体管并不是工作在线性放大区，而是使基极电流要么为0，要么非常大，器件的状态在图中的A点(截止区)和B点(饱和区)之间快速变换，从而实现高速开关的功能。两种状态下，器件中流过的集电极电流大小相差非常大，我们说这个器件具有非常大的开关电流比I_on/I_off。如此就可以实现大电流的开启和截止。以上就是双极型晶体管实现高速开关的方法。这些内容对初学者来说的确难懂，但还是希望读者能尽量明白。另外，用于大功率电力转换的功率半导体双极型晶体管，和用于信号放大的普通双极型晶体管也是有不同之处的。

必须注意的是:图双极型晶体管的 I-V特性曲线所展示的其实是共发射极(发射极接地)连接方式下，双极型晶体管的 I-V 曲线;而图PNP 型双极型晶体管的结构示意图所画的电路连接方式却是共基极(基极接地)，这只是为了使电路图简单易懂。双极型晶体管不同的连接方式，原理略有不同，对此感兴趣的读者请参考其他专业书籍。实际上，在功率放大电路中，都是用共射极的方式进行连接的。

三、双向晶闸管

晶闸管器件中有3个PN结，比双极型晶体管还要多一个。主要是用作大功率电路的开关。

什么是晶闸管

相比于二极管或晶体管，听说过晶闸管(Thyristor)的人可能非常少。晶闸管的名字其实是从气体闸流管(Gas Thyratrone)而来。晶闸管是一种用于电力转换的双极型晶体管，是功率半导体所独有的器件。它的发展历史在之前的插图中曾经提到过。它与我们之前所学过的双极型晶体管(三极管)无论是在构造还是原理上都不一样，用一节的篇幅来讲晶闸管恐怕都是不够的。这里想请大家记住的只有一点:它可以改变电路的开关状态，但开关速度并不太高。

我们把晶闸管写作SCR(Silicon-Contolled Rectifer)，译为硅控整流器实际上常称为可控硅。它的电路符号画在图3-3-1中。其中(a)是晶闸管，(b)是以后将要介绍的 GTO 晶闸管(可关断晶闸管，或门控可控硅)。

典型的晶闸管的结构示意图如下图所示，它是一种三端器件。它的结构可以看作:有一个 NPN 晶体管的基极和一个PNP晶体管的集电极相连，如此形成的PNPN 结构的器件。从图中可以看到，在一个晶闸管中有3个PN结。当在阳极(A)与阴极(K)之间加工作电压(正向偏压)，并且在栅极(G，也可称为门极)和阴极(K)之间也加正向偏压的时候，栅极(G)与阴极(K)之间正向导通，带动大电流从阳极(A)流向阴极(K)整个器件处于开启状态。当撤掉阳极(A)与阴极(K)之间的正向工作电压时，器件进入关断的状态。有趣的是，当器件处于开启状态时，即使撤掉栅极(G)与阴极(K)之间的正向偏压，器件还是能保持开的状态。这个特殊的性质，英语中称作 Latch，中文翻译为闩锁。

晶闸管的工作原理可以用下图 所示的 I-V 特性曲线来描述。它可以在 on 和of 两个状态间切换，形成开关功能。但是由于前面所说的闩锁现象，如果想让器件进人关断状态，只撤掉栅极电压是不够的，还必须撤去阳极(A)和阴极(K)之间的工作电压，或借助换流电路增加逆向电压才可以。

GTO 晶闸管的登场

GTO 晶闸管，即 Gate Tum Of Thyristor 的简称。普通的晶闸管开启之后状态就稳定了，除非借助换流电路增加逆向电压才能进人关断状态。但CTO 晶闸管在控制极(G)有特殊设计，可以改变关断状态。

晶闸管的应用

因为晶闸管拥有这样的开关特性，可以广泛应用于电力控制、电力变换等设备中。例如电力机车的电动机控制。但晶闸管的开关速度并不高，现在电力机车的电动机控制已经被 IGBT 取代。

另外，普通的晶闸管要通过外部的换流电路来帮助进行关断，所以也叫作“他励式”器件。后面将要介绍的IGBT器件，具有不需要外部换流电路的优点，所以叫作“自励式”器件。

四、具有高速开关特性的功率型 MOSFET

本部分将说明 MOSFET的工作原理，同时稍稍追溯一下功率型MOSFET的发展历史。实际上功率型 MOSFET的原理基本上与集成电路中的 MOS型晶体管类似，只是其中电压电流的取值范围不同。

MOSFET 的工作原理

双极型晶体管是电流控制器件，而MOSFET是要在栅极施加电压，使源极、漏极之间形成电流的沟道，如此来控制器件的开关动作，请看下图。由于是栅极电压控制，所以它的特点之一是输人阻抗非常高。关于阻抗（元器件对电路中电流的阻碍作用。这里指的是对交流输人信号的阻抗），后面会专门讨论导通电阻的问题。下图中箭头表示载流子的流动方向，由于此处是N沟道，载流子为电子所以电流的流向实际与图中箭头方向相反。

对 MOSFET比较熟悉的读者应该知道，功率半导体中所使用的一般是N沟道增强型MOSFET，原因是它允许通过更大的电流，获得更大的开关电流比。N沟道就是说载流子是电子。增强型也可以说成是常闭型，因为只有给它的栅极施加正电压时，才能在源极漏极之间吸引电子形成N沟道，而平常不对栅极施加正电压时是没有沟道的，这就是常闭型的由来。这些知识可能一时不容易记住，但了解一些有助于理解后面的内容。打个容易理解的比方，水龙头的开关没有打开的时候，水是不能流出来的，这与栅极不加电压就不能形成沟道是一个道理。实际上栅极不施加电压的时候，还是会有一些电流流过，这称为漏电流，从节能的角度来说是应当避免的。同样的道理，水龙头如果漏水，水表的数字也会向上跳。

对于功率型 MOSFET来说，由于需要流过大电流、耐高电压，所以一般采用下图那样的垂直型构造。图中这种构造其实叫作垂直双扩散型MOSFET。英语中写作VerticalDiusi0n MOSFET，缩写为 VDMOSFET。这种垂直构造有利于通过大电流，与之前所示的平面型构造不同。

MOSFET的历史背景，以及MOSFET对于功率半导体的重要性。之前说过的双极型晶体管是电流控制器件，载流子在基区的复合需要大约 3us 的时间，这也就制约了器件截止的速率。器件不能及时截止，开关速率就难以提高。

而功率型 MOSFET由于是电压控制器件，器件截止时不存在载流子复合的过程，器件的开关速率比前者大大加快。双极型晶体管由于采用了电导率调节（区域内载流子浓度越高，电阻率就越低，电导率也就越高。利用这一现象，就可以通过调节掺杂浓度而控制电导率），饱和损失比功率型MOSFET更低。但在开关损失方面，双极型晶体管开关损失随着频率的增长明显比功率型MOSFET 快得多。从下图的两类器件的损失比较示意图可见，高频率情况下，功率型MOSFET 的开关损失是最小的。

MOSFET器件最大的特点是高速开关性能，可以实现兆赫兹级(MHz)的高速开关，也就是说一秒钟可以实现百万次的开关。但 MOSFET并不耐高电压和大电流，主要应用在千瓦级以下的小型家用电器中。不耐高电压的原因，主要是N型区域厚度减薄导致导通电阻下降。关于导通电阻的内容还会在 3-6 节详细讨论。

MOSFET的各种构造

用于高速开关电路的 MOSFET器件随着应用领域的拓展，器件的构造也在不断发展。限于篇幅，这里不可能全面介绍，只能举几个例子。例如为了提高耐压性，将沟道区域制作成 V形沟槽，如下图所示。但是由于V形底部的尖端电场强度太大，后来人们将其改造成U形，以平缓电场强度。就是这样，功率型MOSFET的构造总是根据需要而变化着。

关于这两种构造的制造工艺，V形沟槽是利用了氢氧化钾(KOH)溶液从硅晶体的特定方向进行蚀刻(各向异性蚀刻)而形成的，而U形沟槽则是利用了干法蚀刻（利用等离子气体进行反应蚀刻的技术。与之相对的是利用化学药品进行的湿法蚀刻技术）技术。半导体器件的结构以及制作工艺是相当复杂的学问。

五、环保时代的 IGBT

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写，意思是绝缘栅双极型晶体管。本部分将从 IGBT的基本原理开始讲起。

IGBT 出现的时代背景

简单介绍一下IGBT是如何出现的。我们已经详细地介绍过双极型晶体管、晶闸管功率型 MOSFET等功率半导体的知识。MOSFET虽然能实现高速开关，但也有需要解决的问题:比如为了实现高速而不得不在构造上受到制约，从而降低了耐压性能。但是半导体市场对高压电力变换的需求也在日益增长，例如用在新干线上的异步电动机逆变器。为此，就希望研发出能承受相对高电压并且兼顾高速开关性能的功率半导体。在这样的背景下，IGBT问世了。图下图大致画出了各种类型功率半导体器件所适用的频率和功率范围。

图中横坐标代表信号频率，纵坐标代表功率的大小，由此划分出各种类型的功率半导体最适用的范围。IGBT恰好覆盖了双极型晶体管和功率型MOSFET无法胜任的高频率高功率领域。这里的频率可以理解为器件开关的速率，功率也基本可以体现出器件的耐压性能。

IGBT 的工作原理

我们以典型的纵向 IGBT结构为例来说明。下图是这种器件的结构示意图和电路符号。如果 VDMOSFET 结构相比较，就会发现，纵向IGBT结构就是在VDMOSFET的下方增加了一个双极型晶体管的结构，这样一看就很容易明白了VDMOSFET 的N型硅晶圆向下是一个N^-N⁺P^-的三层结构。

参照下图，如果将上方包围住发射极的P型区也算进去，并把N^-N⁺看作一个N层，那么整体就形成了一个纵向的P^-N^-P 结构的双极型晶体管。

对栅极施加正电压的时候，上部 MOSFET结构的两个P型区域都产生N型沟道，在纵向的 PNP中形成电流。但从上述纵向双极型晶体管的角度来看，这其实就是形成了发射极和基极之间的电流，双极型晶体管开启，整个IGBT开启。当栅极电压消除后，IGBT也就进入截止状态。

IGBT 器件不需要晶闸管那样的调流器件来辅助截止，只需要利用 MOSFET部分的栅极就可以实现开关，这是它的优点。

横向 IGBT 的例子

IGBT 的构造不光有纵向结构，也有横向结构。下图就是横向结构的例子首先，由于器件需要很好的耐压性能，栅极(图中彩色的粗线)是覆盖在很厚的绝缘层上的。然后电流的沟道所经过的N型区域(N上角是减号“-”，代表掺杂浓度较低相反，正号“+”表示掺杂浓度很高)也需要高耐压性，所以发射极和集电极之间隔开了很长的距离，并且为了允许大电流通过，N型区域的深度很深。这张图只是简单的示意图，并没有按照真实的长宽比来画。实际上N型区域的厚度可达数百微米，比通常的MOSFET器件大得多。告诉读者这个数据，也是希望让读者顺便了解半导体器件通常的尺寸。横向IGBT的开启，也是要对栅极增加电压，在P型区域形成反型层，产生型沟道使电流流过。另外，横向IGBT中的双极型晶体管结构，是由发射极下方的P型区域、长长的 N^-型区和集电极的 P/P⁺区共同形成的。

如前所述，IGBT在大电流器件中实现了高速开关性能，相当于双极型晶体管和 MOS-FET 两种结构的组合，因此结构和制造工艺都非常复杂，制造成本很高。

用外延生长工艺得到的穿通型(PunchThrough)IGBT，目前仍然占据着 ICBT市场一半的份额，但在它的外延生长工艺中，掺杂浓度控制是非常困难的。后来人们对 IGBT的设计提出了各种新的思路。

六、功率半导体课题的探索

关于功率半导体的课题非常多，这里主要讨论一下导通电阻的问题，这是功率半导体所特有的。

什么是导通电阻

导通电阻是指晶体管在放大工作时的电阻，它会消耗电力。比如导通电阻高，就相当于让一头牛拉一车草去目的地。牛的饭量很大，路上就把草吃了大半。只有换用其他饭量小的动物，才能把更多的草运到目的地。对于晶体管来说，导通电阻越小，才越能减少电力的损耗，让负载得到越多的电力。

导通电阻的影响因素很多，这里无法详细解释。简单举例来说，可以看下图，当对二极管的 PN 结施加正向偏压的时候，可以观察电流的大小。在同样的电压下，电流越小，这个二极管的导通电阻就越高。

以 MOSFET器件为例，想要降低导通电阻，主要有这样两种对策。第一，可以用(100)面（在硅晶体上沿着<100>晶向切割出来的晶面。双极型晶体管通常使用沿着<111>晶向切割得到的a晶面）硅片作为衬底材料。因为在硅晶体中，顺着(100)平面方向电子的迁移率最大，有利于降低导通电阻。第二，用外延生长法得到的硅晶也可以降低导通电阻。这种外延层的掺杂浓度和厚度，都会对导通电阻以及后面即将说到的耐压性起到关键作用。降低导通电阻其实主要在于降低器件导通后沟道中的电阻。所以用短而宽的沟道就可以实现，例如提到的 VDMOSFET 就是这样的设计思路。

什么是耐压性

耐压就是指器件在保证正常工作的前提下，最大能承受多大的外加电压。随着电力设备的应用场景不同，对器件的耐压性也有不同的要求，相关的标准可以参考下图。耐压性与导通电阻是无法兼得的。因为，要降低 PN结对电流的阻抗，就要将半导体的材料厚度减薄。而材料减薄，意味着允许施加的反向电压也只能降低(太大会使PN 结击穿)，也就是耐压性下降。必须注意的是，这个耐压性指的是器件中的PN结对反向偏压的耐压性，就是 PN 结在承受反向偏压时，保持不被击穿的情况下，所能承受的最大电压，如上图中负半轴的耐压部分所示。

这个问题会在后面详细讨论，这里仅简单说明。硅材料限于本身的性质，很难在降低导通电阻的同时提高耐压性，因此人们早就开始寻找新的材料来满足需求。目前来看最有希望取代硅的，就是碳化硅和氮化镓两种材料。它们本身的物理性质就决定了，其耐压性远远超越硅材料，而且电子的迁移率比硅材料高，所以导通电阻也就小。如今的功率半导体领域，也和集成电路领域一样，激烈的竞争已经延伸到了上游的材料开发，是整个半导体领域中普遍存在的现象。

硅材料功率半导体的研究已经不限于平面栅型半导体，而是正在向沟槽型转移。晶圆减薄、平面栅、沟槽栅、穿通结构(Punch Through)和非穿通结构(Non-Punch Through)场截止(Field Stop)等，这些主流技术，都将后面介绍。

参考文献：

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