功率晶体管的历史和新兴设计
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到20世纪中叶，电力已然在人们的生涯中施展侧重要作用。爱迪生创造的电灯经由过程照亮街道、工场和室庐，进步了临盆力、生涯质量和平安性；经由过程高效电机实现的制冷，转变了家庭中易腐食物的储存方式，同时在从农场输送到市场的进程中可以或许实现对其的低温保留。在双极晶体管创造之后，用电子开关取代这些利用的机器致动器成为可能。对付在高功率程度下运行的利用，抱负的电子开关必需具有以下特征：（a）高压阻断才能；（b） 低导通状况电压降以削减传导损耗；（c） 电压和电流的快速切换才能，以将切换损耗最小化；（d） 在开关瞬态时代耐受，同时具有施加高电压和高电流的才能；（e） 使器具有低驱动电流的小电压节制电流，以容许驱动电子器件的集成；（f）驱动电压节制下的电流饱和，以满意缓冲元件的必要。此外，抱负的功率晶体管应该可以或许在第一象限和第三象限中对称事情。在曩昔的60年中，技术的立异与成长发明了满意这些要求的功率晶体管。
本文重点先容了自20世纪60年月以来呈现的紧张功率晶体管立异，这些立异使得数字功率节制（脉宽调制）代替模拟功率节制（相位节制）成为可能。这些立异最初必要转变硅基晶体管的器件布局和物理特征。随后，经由过程用宽带隙半导体资料取代硅，实现了更显著的机能加强。
功率双极晶体管架构（图1左侧）与旌旗灯号晶体管分歧，它必要支撑高电压和节制功率利用中所需的高电流。功率晶体管必要垂直布局，此中一个高电流端子（集电极）位于芯片底部，另一个高电压端子（发射极）在顶部。基极度子必需与发射极交叉，因为发射极拥挤效应，通态电流集中在发射极边沿。必要具有低掺杂浓度的厚漂移区来支撑高电压，只管有一些电导率调制，但仍存在年夜的导通电阻。最紧张的是，为了避免经由过程有限的击穿达到，年夜的基极宽度是需要的，这也会导致低电流增益（通常在导通状况下小于10）。在关断时代必要较年夜的反向基极驱动电流，以缩短存储光阴，导致电流增益仅为2。是以必要体积庞年夜且繁杂的基极驱动电路，这会发生靠得住性问题。功率双极晶体管的平安事情区域也很差，必要增长缓冲元件。
达林顿功率双极晶体管（图1右侧）可以或许改善低通态电流增益的问题。它应用基极驱动晶体管T1向输出晶体管T2提供驱动电流，如图1中的等效电路所示。这种办法容许在导通状况下增长电流增益，但关断增益仍旧很差。更紧张的是，因为晶体管T1的电流流经晶体管T2的基极-发射极结，达林顿功率晶体管具有相似二极管的导通状况特征。这使得其导通状况压降比单个双极晶体管年夜得多。
图1.功率双极晶体管的成长。
图2.功率金属氧化物半导体场效应晶体管的成长。
20世纪70年月，CMOS技术在集成电路中的利用使得制作功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）成为可能。双扩散或D型MOSFET（图2左侧）最初由几家公司（International Rectifier，Siliconix）贸易化。它的沟道长度由P基极和N+源极区的扩散深度差决议，容许在5μm光刻工艺的环境下实现短沟道长度（1至1.5μm）。该器件还具有垂直布局，其包括具有低掺杂浓度的厚漂移区以支撑高电压，它为具有高阻断电压的器件增长了年夜量的导通电阻。当向栅极施加正栅极驱动电压以在P基极区域的外面处诱导反转层以发生沟道时，就会产生导通状况电流流动。对付具有低阻断电压（<100V）的器件，沟道和JFET区域的电阻根本上进献了总导通电阻。当阻断电压小于100V时，该器件就会表示出抱负电子开关的年夜部门期望特征。
为了实现更低的导通电阻，业界在20世纪90年月引入了功率U-MOSFET（图2右图）（Siliconix）。该布局打消了JFET区域电阻，从而容许增长沟道密度。对付额定电压为30 V的器件，U-MOSFET将导通电阻低落了3倍。然而，器件的输入电容（图2中等效电路中的CGS）增长，年夜年夜低落了开关速率。然而，整体机能的进步使这种布局设计在20世纪90年月盘踞主导位置。
跟着20世纪90年月二维电荷耦合观点的提出，硅功率MOSFET的机能进步方面取得了重年夜突破。第一种办法是在深槽内使用源电极来发生所需的2D电荷耦合。漂移区中具有线性梯度掺杂散布的GD-MOSFET（图3左侧）可以或许极年夜地改善漂移区中的电场散布，容许将其掺杂浓度增长到远高于（>10倍）图2所示的设计。这种办法将漂移区电阻低落到远低于先前以为的硅资料抱负导通电阻的极限。该器件布局如今通常被称为决裂栅MOSFET（由于它只包括一个栅电极，以是用词欠妥），其阻断电压高达150 V，已成为领先的功率器件公司（Alpha和Omega，Infineon）制作的最受迎接的产物，普遍用于为台式机和条记本电脑中的微处置器和图形芯片的电源体系。
图3.功率金属氧化物半导体场效应晶体管的成长。
第二种办法（Lorenz，Infineon，ISPSD 1999）应用经由过程添加与N型漂移区并联操作的深P型漂移区而发生的垂直结来实现2D电荷耦合。这种器件设计（图3右侧）通常被称为超结（SJ）MOSFET，已成为制作阻断电压为600–900 V的产物的主流办法。这些器件用于开关损耗占主导位置的电机驱动利用，今朝很多公司都提供此类产物（英飞凌，意法半导体）。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）于20世纪80年月初创造、开发并贸易化。器件布局（图4左侧）可以设计为在第一象限和第三象限（对称IGBT）的结J1和J2处阻断电压，或者仅在第一象限（纰谬称IGBT）阻断电压。IGBT经由过程使用正栅极偏置创立MOS沟道来事情，该偏置将基极驱动电流运送到内部宽基极P-N-P双极晶体管。在统一漂移区内，经由过程沟道使用电子和经由过程P-N-P晶体管使用空穴发生集电极电流，称为MOS双极电传播输。该器件可以经由过程将栅极电压低落到零来封闭电子供给。
因为采纳了宽基极P-N-P晶体管，而不是其时用于功率晶体管的窄基极N-P-N晶体管，是以所提出的IGBT设计是一个具有革命性的转变。狐疑论者以为，这将严重限定电流，使该器件不如功率双极晶体管。我的阐发基于N基区（N漂移区）内的高电平注入，猜测了纵然在高电流密度下也具有低导通状况压降的P-i-N整流器式导通状况特征。荣幸的是，在制作和测试现实装备时，这种阐发被证实是正确的。
IGBT的一个主要障碍是内部4层晶闸管的潜在闭锁，这可能会导致破坏性故障。使用添加到根本双扩散MOSFET工艺中的深P+区域（图4左图）可以或许办理这个问题。其时人们以为IGBT仅实用于低事情频率，是以限定了其利用，由于其时节制少数载流子寿命的办法会毁坏MOS栅极布局。荣幸的是，我发现了一种工艺，该工艺容许使用高能电子辐照来缩短漂移区的寿命，然落后行低温退火工艺，以去除栅极氧化物中的毁坏。这对付创立可以或许在年夜规模的互换速率下运行的IGBT至关紧张（BaligaIEEE EDL，1983），从而在GE内部开拓了普遍的利用范畴。
图4.绝缘栅双极晶体管（IGBT）的成长。
依据我在1980年11月的演讲，我猜测了IGBT在通用电气公司电机驱动、照明、电器和医疗部分的普遍影响，董事长杰克-韦尔奇（Jack Welch）同意全力支撑我的IGBT开发和贸易化。基于这种支撑，我可以或许在不到10个月的光阴内直接在功率MOSFET临盆线上设计和制作IGBT。因为公司的严厉审查，这必需在芯片设计和工艺界说进程中毫无瑕疵地完成，以确保初次试验胜利。这是使IGBT年夜量用于GE制作第一台热泵用可调速电机驱动器和新型灯具的症结一步，这些灯具是20世纪90年月贸易化的紧凑型荧光灯的前驱。因为IGBT对通用电气利用的代价，杰克-韦尔奇制止宣布任何有关IGBT的信息。1983年6月，半导体产物部发布推出IGBT产物D94F4，终极冲破了这一禁令。通用电气公司推进了该产物的利用，并得到了“年度产物”奖。从1983年到1985年，通用电气宣布了我关于IGBT属性的文章，从1985年开端，日本的很多公司（东芝、三菱电机、富士电机）开发并推出了此类产物。
20世纪90年月，欧洲（ABB、西门子）也进行了IGBT立异。P+发射极戋戋域被晶圆底部具有低掺杂浓度的薄P扩散取代，以低落注入效力。研讨发现，这可以削减替换电力机车驱动利用中的栅极关断（GTO）晶闸管所需的极高电压（>4kV）器件的开关损耗。这项技术在欧洲和日本获得敏捷优化，普遍利用于城市和远程公共交通。
经由过程采纳沟槽栅极布局，改善了IGBT的导通状况、压降和开关速率之间的均衡。沟槽栅极设计（图4右侧）增长了沟道密度，为内部双极晶体管提供了更多的驱动电流，以削减导通电压降。另一个被证实可以进步高压IGBT器件机能的设计立异是具有窄P基极区域的深沟槽布局（图5）。这种办法加强了漂移区的电导率调制，从而发生较低的导通状况电压降。
在曩昔40年中，IGBT在各类利用中变得异常流行，它被普遍利用于各个范畴，例如交通、照明、花费者、工业、医疗等，以进步全天下数十亿人的生涯质量。1990-2020年，汽油动力汽车和卡车使用IGBT的电子焚烧体系的创立使汽油耗费量削减了1.8万亿加仑。1990-2020年间，使用IGBT的可调速电机驱动器的开发使电力耗费量削减73000太瓦时。使用IGBT电子镇流器的200亿盏紧凑型荧光灯的部署在1990年至2020年时代削减了5.99万太瓦时的电力耗费。IGBT的这些利用为花费者节俭了33.6万亿美元，同时在1990年到2020年间削减了181万亿英镑的二氧化碳排放，以缓解环球变暖。
图5.绝缘栅双极晶体管（IGBT）的成长。
所有太阳能和风力发电都依附于使用IGBT将能量转换为可运送到电网的稳固的50或60 Hz交流电。此外，IGBT用于驱动所有电动汽车中的电机的逆变器。是以，它将在打消发电和运输部分的化石燃料以应对气候变化方面施展紧张作用。
用宽带隙半导体取代硅的影响起首经由过程推导将垂直单极功率器件中的漂移区电阻与根本资料特征相关的方程而获得熟悉，如今通常称为Baliga's Figure of Merit或BFOM。该方程猜测使用砷化镓的电阻会低落13.7倍，使用碳化硅（SiC）的电阻会低落100倍以上。20世纪90年月，6H SiC晶片问世后，经由过程制作400 V肖特基整流器以及随后的第一个高机能SiC功率MOSFET，验证了该理论。这必要转变功率MOSFET布局以（a）屏障P基极区域以防止穿透击穿；（b） 掩护栅极氧化物免受高电场的影响；以及（c）采纳累积沟道来增长沟道迁徙率。今朝市道市情上可买到的4H-SiC平面栅MOSFET布局采纳带积聚或反转通道的屏障布局（图6）。
用于硅功率MOSFET的D-MOSFET工艺不克不及用于SiC器件，由于纵然在导致升华的异常高的温度下，掺杂剂在该资料中的扩散也眇乎小哉。是以，通道是由用于形成P基和N+源区的P型和N型掺杂剂的交织离子注入形成的。这必要高分辩率光刻，以发生在功率MOSFET中实现低导通状况电阻所需的亚微米沟道长度，该技术普遍用于商用SiC平面栅功率MOSFET。
图6.平面栅碳化硅功率MOSFET的成长。
经由过程用SiC功率MOSFET替换硅IGBT，电机驱动器中开关功率损耗有用削减。然而，今朝SiC功率MOSFET的本钱是一致额定硅IGBT的3倍多，阻碍了其贸易可行性。为降服该技术的较高本钱，业界采取的策略因此高得多的频率操作电力电子装备，以低落无源元件（如电感器和滤波器）的本钱，从而低落总体本钱。SiC功率MOSFET在较高频率下的操作必要设计立异，以削减开关时代的漏极电流和电压瞬变光阴。经由过程削减栅极-漏极电荷，可以在SiC功率MOSFET中实现开关时代更快的漏极电压瞬变光阴。
实现这一点的一种立异设计（图7左侧）采纳了JFET区域内的中间植入P+区域。必要额外的工艺步调来添加P+区，而且必需将其衔接到与横截面正交的源电极。第二种立异办法（图7中央）是决裂栅器件设计，此中栅极的宽度在JFET区域上缩短。这种设计将栅极-漏极电荷削减了2.4倍，而无需任何额外的工艺步调。第三种立异设计办法，此中P+屏障区的边沿延长到分别栅电极的边沿之外。这种设计将栅极-漏极电荷削减了6倍，但必要额外的工艺步调以包含第二JFET区域。
图7.平面栅碳化硅功率MOSFET的成长。
在使用硅IGBT的H桥拓扑的典型电压源逆变器中，有需要衔接一个反并联二极管，以运行电机的可调速驱动器。原则上，因为电流流经P-N二极管，SiC功率MOSFET不必要反并联二极管。然而，已经发现这种办法在升温前提下，因为双极二极管反向规复征象会导致高的开关功率损失。此外，发现了SiC功率MOSFET的双极退化征象，此中因为P-N二极管双极电流在漂移区中发生缺陷。分立结势垒节制的肖特基（JBS）二极管可以衔接在SiC功率MOSFET两头，以防止电流流过体二极管。这增长了另一个具有明显SiC芯单方面积和本钱的封装组件。如图8所示的立异设计将JBS二极管集成到SiC功率MOSFET单位布局中。
图8.碳化硅功率MOSFET的成长。
与硅功率MOSFET的环境一样，沟槽栅极技术可用于SiC功率MOSFET，以削减因为JFET区域的打消和沟道密度的增长而导致的导通电阻。这种办法的主要挑战是沟槽底部的栅极氧化物中存在异常高的电场，这可能导致弗成靠的操作，乃至导致劫难性的故障。办理这个问题的第一个立异设计（图9左侧）应用了沟槽底部的P+屏障区，该区与垂直于横截面的源极电极相连。第二种办法（图9中央）使用了两个沟槽区域，一个用于形成栅极布局，另一个更深的沟槽区域用于屏障栅极氧化物。第三种办法（图9右侧）使用浅沟槽形成栅极布局，使用两个深沟槽屏障栅极氧化物。在所有三种设计中，当屏障栅氧化物时发生JFET区，栅氧化物必需充足掺杂以低落导通电阻而不低落击穿电压。在第一种办法中察看到优越的导通电阻、击穿电压和栅极氧化物屏障，而在具有较高导通电阻的第三种办法中，察看到最低的栅极氧化物电场。
如本文开首所述，在曩昔60年中，功率半导体界的“圣杯”是创立一个在第一象限和第三象限具有对称行动的功率开关，具有电流饱和、低导通状况压降和快速切换才能的栅极电压节制输出特征。电力电子工程师已经使用多个分立器件来组装如许的开关，以用于矩阵转换器。比来经由过程集成两个JBSFET（图10），实现了一种紧凑的单片4端双向电源开关，定名为BiDFET。这些装备将使新一代电力电子产物加倍紧凑和高效。
图9沟槽栅碳化硅功率MOSFET的成长。
图10.单片SiC双向场效应晶体管（BiDFET）。
使用另一种宽禁带半导体氮化镓（GaN）也可以制作出优秀的功率器件。在低本钱、年夜直径的硅衬底上晋升器件质量的GaN外延层是这种办法的奇特属性。然而，这必要制作具有漏极、栅极和源极电极的交叉数字化的横向高压功率器件，这可能因为电流拥挤和寄生金属电阻而使芯片设计具有挑战性。在GaN和氮化铝镓（AlGaN）之间的界面处形成二维电子气体（通常称为2D气体）形成具有低薄层电阻的层，以低落导通电阻。第一个器件（图11左侧）使用金属栅极（肖特基势垒）打仗，在高电子迁徙率晶体管（HEMT）器件中发生正常导通畅为。因为这在电力电路中是弗成接受的，是以该设计与低压硅MOSFET相联合，形成了BaligaPair或Cascode拓扑。随后，使用凹陷栅极设计创立了常关GaN HEMT器件（图11中央和右侧）。这些装备的横向设置装备摆设容许在统一芯片上制作多个功率晶体管，从而为条记本电脑和手机充电器等利用构建紧凑的功率集成电路。
图11.氮化镓横向HEMT功率器件。
只管取得了40年的提高，功率半导体器件的立异仍在赓续进步其机能。它们已成为为花费者提供更高舒适度、移动性和生涯质量的症结技术。只有应用功率半导体器件能力实现从化石燃料向可再生能源的过渡，以满意我们的电力需乞降电动汽车的运输需求。
作者简介
Baliga传授是国际公认的功率半导体器件专家。他是美国国度工程院院士和IEEE终身研讨员。他在纽约斯克内克塔迪的通用电气研讨与成长中心事情了15年，并被付与柯立芝院士的最高科学级别。他于1988年参加北卡罗来纳州立年夜学，担任正传授，并于1997年提升为“杰出年夜学传授”；他是1998年“O.Max Gardner奖”的得到者，该奖项由北卡罗来纳年夜学理事会发表给16所构成年夜学中“对人类福祉做出最年夜进献”的一人；以及2011年亚历山年夜-夸尔斯-霍拉代卓著奖章，这是NCU董事会付与的最高荣誉。Baliga传授著有/编纂了22本书和700多篇科学文章。他已得到122项美国专利。《科学美国人》杂志在纪念晶体管创造50周年时将他列为“半导体革命八年夜首脑”之一。Baliga传授在GE公司创造、开发了绝缘栅双极晶体管（IGBT）并将其贸易化。他作为IGBT的独一创造者入选国度创造家名人堂。IGBT普遍利用于花费、工业、照明、交通、医疗、可再生能源和其他经济范畴。它极年夜地削减了汽油和电能的使用，为花费者带来了伟大的本钱勤俭，并削减了环球规模内的二氧化碳排放。他的一本书中具体描写了IGBT的利用和社会影响。2011年10月，他在白宫得到了奥巴马总统发表的国度技术与立异奖章，这是美国当局对工程师的最高情势的表扬；2012年10月得到普渡州长发表的北卡罗来纳州科学奖，2015年得到环球能源奖。