高中时候我们在化学课程中学过元素周期表,「氢氦锂铍硼、碳氮氧氟氖......」倒背如流,在元素周期表的中间三、四、五族元素定义为半导体元素,所谓半导体是根据其导电能力来定义的,我们可以通过一定的半导体工艺来改变其导电能力。 以硅(Si)为例,硅是处在第四族的元素,它的外部有 4 个电子,所以硅的稳定结构是形成下图所示的及其稳定的共价键结构。 硅的两侧对应的是三族和五族的元素,三族的元素意味着外层有 3 个电子,五族的元素意味着外层有 5 个电子。如果把三族元素插入到四族的硅当中,由于硅想形成稳定的四个共价键结构,所以会存在一个空置的位置,我们称之为空穴,这个空穴是具备一定的正电荷的能力的,如此就形成了 P 型半导体。 同理,若使用五族元素与硅进行掺杂,就会多出一个可移动的电子,即存在自由电荷,形成了 N 型半导体。 PN 结(普通二极管) 当我们把 P 型半导体和 N 型半导体进行组合后,即可得到最基本的二极管(PN 结)。在 P 型半导体中存在高浓度的空穴(正电荷),在 N 型半导体中存在高浓度的电子,浓度高的载流子会自然而然向浓度低的区域进行扩散。 由于载流子扩散,最终会形成一个势垒,这是一个空间电荷区,也称之为耗尽层。可以发现 PN 结存在 P 区、耗尽层、N 区三个区域,这几个区域都是呈现电中性的,不管是空穴还是电子想要到达另一个区域,都必须要穿过耗尽层,即耗尽层会阻碍空穴和电子的运动,因此整个 PN 结在没有外界干扰的情况下,是不具备导电能力的。 当我们从外界施加 N 到 P 的电场时,即 PN 结反偏。此时外界电场与耗尽层电场是同向的,所以在外部电场的作用下,耗尽层的宽度会被加强,于是 PN 结的导电能力就变得更弱,因此就呈现了一个无导电能力的特性。 当然导电只是一种相对情况,即便空间电荷区变宽了,也不能百分百保证说就完全没有导电能力,因为还是有一定的空间电荷浓度,在这样的情况下会有微弱的电流流经 PN 结,意味着系统存在一个反向电流,这就是二极管一个比较重要的漏电流参数。 当外部施加的电场是从 P 到 N 时,即 PN 结正偏。外界电场的效果是使耗尽层变窄,加强了 P 区内空穴往 N 区内移动的能力,扩散电流远大于漂移电流,形成了一个正向导通电流。 最终二极管将呈现如下的导通特性,当正向电压大于势垒电压时,二极管开始导通。当施加反向电压时,二极管将截止,当反向电压大到一定程度后,二极管就会被反向击穿,即二极管损坏的过程。 功率二极管 既然谈到了「功率」二字,那么更加关注的就是二极管承载电流、电压的能力了。如何把二极管承载电流、电压的能力加强呢?根据上文关于二极管的介绍可以知道,将耗尽层加宽可以承载更大的电压。 图中中间 n- 为轻度参杂区域,下面 n+ 为重度参杂区域,这个参杂就导致了耗尽层的加宽,当然也导致导通损耗更大,不过也正因为如此,功率二极管才更加能耐压。 我们以非同步 BUCK 电路为载体,来说明一下功率二极管的变化过程。 图中(1)部分指二极管导通,有一个小小的二极管导通压降,因此曲线没有贴着 x 轴; 图中(2)的位置由于二极管承受的是反向电压,此时它关断了,所以电压为负; 图中(3)二极管需要经历一个从没有电压到有外加电压的变化,当电压加到二极管上时,二极管中的载流子流动的趋势逐渐增大,宏观表现出来是电阻慢慢变小的过程,但是电流保持不变,所有会有一个小尖峰,这一小段时间也会导致整体功率的损耗,开关频率越高,这个导通过程导致的损耗越多; 图中(4)处伴随系统从通到断的状态变化,大规模载流子需要进行重新分配,这个重新分配表现出来就是电流,而且这个电流与主电流相反,所以会看到一个反向的电流,而且这个反向电流会施加在主电路里面。这一段反向电流又分为两部分,下降阶段是之前外加电压时,PN 结中从 P 区域移动到 N 区域的载流子移除(恢复)过程,即从正偏到反偏的过程,正偏时空间电荷区非常非常窄,此时要进入反偏状态,空间电荷区需要加强,载流子需要重新分配,外部激励会移除不必要的空间电荷。电流上升的过程,即二极管又变成一个耐压器件了,也就是空间电荷区加宽,更多的载流子会不均匀的分布在两端。整个过程不可避免的需要移动电荷,而电荷的聚集效应可以认为就是一个电容的效应,当我们需要施加电压时,电压的增加就会需要额外的电荷,电荷不断聚集提供相反电荷,使其电压不断增加,以致增加到刚好截止输出电压为止。 MOS 管 以 NMOS 为例,它以 P 型半导体衬底,以 N 型半导体作为导电沟道,金属部分作为栅极(Gate),氧化部分(SiO2)作为绝缘层,两端分别为源极(Source)和漏极(Drain),从物理结构可以看出 MOS 管的源极和漏极是可以互换的,不像三极管有严格的顺序。 在栅极和源极施加电压,随着电压的不断增大,导电沟道将逐渐形成,当导电沟道刚好形成时的电压,称之为开启电压。外加电压继续增大,导电沟道将变得越来越宽,即导电能力越来越强。 PMOS 相比 NMOS 更加容易驱动,只需要 VGS 小于一定值即可导通。但是 PMOS 的导通电阻比 NMOS 要大,并且成本也比 NMOS 要高,所以比 NMOS 的实际应用场景要少许多。 功率 MOS 管 对比前文普通 MOS 管,可以看到源极、栅极、漏极是分开的,顶上那个灰色的板子是金属板。而功率 MOS 管在这个基础上做了一点创新,下图中的阴影部分就是金属板,可以发现总共只有两个金属板,上面的金属板把 N 区和 P 区都给连起来了,所以即使在栅极没有加电压的时候,也会存在一个天然的二极管通道,但是普通 MOS 管是没有体二极管通道存在的。同时由于是功率 MOS 管,所以也会想办法将耗尽层加宽,以增加其耐压能力。 体二极管和耐压能力的加强是功率 MOS 和普通 MOS 的区别。 功率 MOS 管的正向导通能力就是涉及「场效应」了,所谓的场效应即意味着外部可以通过电场来控制其内部载流子的浓度,在栅极施加正电压时就会产生一个电子的导电沟道,由于整体是 N 型半导体衬底,所以整体也就形成了一个电子的导电沟道,并且该沟道支持电子的双向移动。 如下图所示是功率 MOS 管的等效电路模型。其主要损耗由三部分组成,分别为导通损耗、开关损耗(开通损耗和关断损耗)、驱动损耗。其中导通损耗与开关损耗容易理解,驱动损耗作何理解呢?MOS 并不像二极管是一个被动型器件,MOS 管开或关的行为都需要能量作为代价,就好比要打开机械开关需要用手去按压,这个过程所消耗的能量就是驱动损耗。 晶体管 二极管只有一个 P 型半导体和一个 N 型半导体结合,如果再加一个 N 型半导体(或 P 型半导体)即构成了晶体管(三极管),晶体管有集电极、发射极、基极三个极。 需要注意的是三极管的集电区和发射区掺杂浓度是不一样的,其中基区多子少且做的很薄,而发射区的多子浓度很高,集电区多子浓度相对较低但面积大。不管三极管是正接还是反接,三极管都处于截止状态,这是因为三极管可以看作两个二极管反向相连,不论如何接都会有一个二极管处于截止状态。 为了能让三极管导通,我们在基极和发射极再施加一个电压,此时二极管开始导通,发射区的自由电子就可以源源不断的流向基区,但是基区的掺杂浓度很低且很薄,基区短时间内吸收不了太多的电子,只有一少部分电子能与空穴复合形成基极电流,而大部分被吸引到了集电区,形成集电极电流,也就是三极管的输出电流。 流过基极的电流越大,流到基区的自由电子也就越多,相应的被吸引到集电区的电子也就更多,这就是三极管小电流控制大电流的原理。基区做的很薄是为了让发射区的电子更容易进入集电区,浓度很低视为了形成更小的基极电流,这样才会有更多的自由电子流向集电区。 IGBT 三极管工作时涉及载流子的注入和抽离所以会很慢,由于其性能的关系正在逐步退出历史舞台,因此需要对其进行改进,改进后的器件就是 IGBT,如下图所示。 可以发现 IGBT 是一个受 MOS 管控制的 BJT,即同时继承了 MOS 管快速和 BJT 大电流的优点。当然,它也有缺点,并且缺点主要来自于 BJT 关断较慢的问题,因为当 MOS 管门级信号撤出时,并不能立马把电流都抽走,所以电流会经历一段下降时间。
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