《图解入门——功率半导体基础与工艺精讲》 01 是Au贵还是Si贵

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《图解入门——功率半导体基础与工艺精讲》 01 是Au贵还是Si贵 [复制链接]

 

       “我俯身把那耀眼的东西捡起来，仔细看了看，心脏简直要跳出来，因为我肯定那是金子，足足有半颗豌豆大小……”——詹姆斯·马歇尔

1. 缘起

        18世纪美国掀起了疯狂的西部淘金热，然而仅隔了一个多世纪，淘汰的沙子又被人们淘了起来。一颗颗不起眼，遍地都是的沙子为啥被人们重视起来？这不得不提半导体的由来。

1956年，诺贝尔物理奖分别颁发给了美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿，以奖励他们对半导体及晶体管效应的研究。巴丁、布拉顿主要发明半导体三极管，而肖克利则是发明了PN二极管。

 

        我们首要介绍的是半导体中最基础的器件-PN二极管。

2. PN二极管

       为什么选择硅？首先，硅是地壳中含量中排名第二的元素，平均有27%出现在地壳中。其次，硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，具有良好的导电性。所以随着硅的提取技术越来越成熟，且其相对于锗等元素的成本优势，使其在半导体领域获得广泛的应用。

       我们首先介绍什么是非本征半导体。

   

        如这张图所示，纯的硅是没有导电性的，没有自由的电子或者空穴。如果要变成导体，必须掺杂其他元素，改变其内部结构，才能在外力作用下有电流流动。大家发现，给它掺杂其他元素，情况就大不一样。我们可以先观察元素周期表，如果我们给他掺杂磷或者硼，是不是就不一样了？

  

     

       掺杂磷后，会有自由的电子产生，这就是n型半导体：

  

 

        掺杂硼后，会有空穴产生，这就是p型半导体：

   

如果将p型半导体和n型半导体在不损伤晶体情况下结合起来，就形成PN结。

   

          二极管符号如下：

 

3. 三极管

       二极管因其pn结，正常情况下，在外力作用下，电流方向从p到n。

   

        那么两个pn结背靠背紧紧结合在一起，是否像开关一样？左边的PN结在外力作用下导通，来自发射极的多数载流子（空穴）很容易被送到基极区域，即基区，基区一般非常短，大部分空穴毫无阻碍的从基区通过，来到集电区，从集电极流出晶体管。因为从发射极流向基区的空穴在基区时是少数载流子，因为集电极的低电压吸引，反而加速流向集电极。

   

NPN及PNP三极管符号如下：

   

4. MOSFET

        三极管是电流控制型器件，而MOSFET是通过电压来控制开关状态。

        施加在金属栅极上的电压，通过绝缘薄膜（左图为绝缘薄膜形成方式，绝缘材料将两块平行板分开，形成薄膜电容），引起下层半导体中电荷分布的变化。半导体中的电荷分布改变，就在栅极下方形成了一个沟道来作为载流子的通道，也叫作反型层。这时就相当于水闸打开，留出缝隙允许水流通过。当把栅极电压取消，反型层就会消失，闸口关闭。利用这个原理，就可以通过控制栅极的电压(简称“栅压”)来控制 MOS 晶体管的开关状态了。

       

      NMOS的寄生参数：一般MOSFET的技术规格中与这些寄生电容相关的参数为表中的Ciss、Coss、Crss三项。在按静态特性与动态特性分别记述的技术规格中，是被分到动态特性中的。这些是影响开关特性的重要参数。

 

      NMOS及PMOS符号如下：

   

     

5. IGBT

        双极型晶体管是电流控制型器件，MOSFET是电压控制型器件，双极型晶体管相比能够耐高电压，但开关速度难以提高。而MOSFET具有一定的高速化的潜力，但是在器件构造还有耐压性上都存在困难。随着功率半导体应用范围的持续拓展，对耐压和高速开关的性能需求也日益紧迫。是否可以将两者优势集合一起，满足市场应用需求，所以IGBT闪亮登场。

   

        IGBT的设计结合了双极型晶体管和功率型MOSFET双方的优点。其中，MOSFET部分贡献了高速的开关性能，双极型部分贡献了大电流和耐压性能。IGBTs在超大功率应用中占有一席之地，例如电动汽车，其中模块由多个IGBT并联构建，以实现高压环境下数百安培的开关功率。

       IGBT内部结构及等效图：

 

       N沟道IGBT符号如下：

       

 

 

Jacktang

图解入门——功率半导体基础与工艺精讲

确实是本图解的书，图是精华，很形象，值得读读