Semiconductor
本文章用于记录半导体（晶体管的工作原理等blablabla的知识）。
半导体的定义
半导体 是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。 按照国际通行的半导体产品标准方式进行分类，半导体可以分为四类：集成电路（Integer Circuit），分立器件（Discrete Device），传感器（Sensor） 和 光电子器件（Optoelectronic Devices） ，统称为半导体元件。
分立器件按照功率转换进行分类，可以分为 功率器件 和 非功率器件，其中，传感器 和 光电器件 属于 分立器件下的 非功率器件，剩下的均是 功率器件，包含大部分晶体管，如 Zener Diode、BJT、IGFET、IGBT、Thyristor等。
注意：功率器件的概念很大，不仅在分立器件中存在功率半导体，在IC中也存在功率半导体的产品。
本征半导体
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为 半导体。
导体：如铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体：如惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。
半导体：如硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
本征半导体：intrinsic semiconductor， 是 纯净（Purity）的 晶体结构（Crystal Texture）的 半导体；intrinsic 具有 “本质，固有” 之意。纯净，即无杂质之意；晶体结构，即稳定的结构。
P/N型半导体
纯净的硅晶体不带电荷，不显示出任何导电特性。
自由电子（Electron）：由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子
空穴（Hole）：自由电子的产生使共价键中留有一个空位置
复合：自由电子与空穴相碰同时消失
电荷：电子和空穴都是电荷，电子呈现负电荷，空穴呈现正电荷
载流子（Carrier）：运载电荷的粒子称为载流子
导电性：物体呈现出的传导电流的能力
多数载流子：在纯净硅晶体中掺杂数量较多的电荷称为多数载流子。
少数载流子：在纯净硅晶体中掺杂数量较少的电荷称为少数载流子。
外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。
往纯净的硅晶体中掺杂一定浓度的 磷（P）或 硼（B）即可获得 使得硅晶半导体带上电子或空穴，即获得了 N型半导体 和 P型半导体。
杂质半导体：在本征的基础上掺杂其他元素。
P型半导体：掺杂了硼元素的硅晶体，空穴为多数载流子。
N型半导体：掺杂了磷元素的硅晶体。自由电子为多数载流子。
PN结
结：即 Junction，在纯净硅晶体中掺杂两种不同电荷所形成的杂质接触截面。
扩散运动：物质 因浓度差而产生 的运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
漂移运动：因 电场作用 所产生的运动。
动态平衡：结处因空穴和电子一刻不停地复合和分离（官方：参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同）而形成 “无多数载流子” 的状态。
注意：扩散运动和漂移运动是相反的，
耗尽层：PN结处，因动态平衡而达到的“无多数载流子”的状态，该结的大小称为耗尽层。
如果此时让P区的多数载流子，即空穴尽量往N区移动，让N区的多数载流子，即自由电子尽量往P区移动，则两种电荷进行复合，形成更宽的耗尽层，此时因为耗尽层因为没有多数载流子而呈现不导电特性。
反之，让P区的多数载流子尽量往P区靠拢，让N区的多数载流子尽量往N区靠拢（注意，这里用的是“靠拢”，因为中间已经有耗尽层的形成，此时的“靠拢”是让耗尽层中已经复合消失的电子和空穴重新拆开，分别往各自原来的反向回归。），耗尽层的宽度会逐渐缩小，显现出导电特性。
正向：电源的正、负极分别对准半导体的P、N极进行连接。
反向：电源的正、负极分别对准半导体的N、P极进行连接。
正向导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。
反向截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。
电容效应
势垒电容：PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。
扩散电容：PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容：等于 势垒电容 与 扩散电容 之和。但 结电容不是常量！ 若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！
二极管
The diode is the most used semiconductor device in electronics circuits. It is a two-terminal electrical check valve that allows the flow of current in one direction. They are mostly made up of silicon but germanium is also used. Usually, they are used for rectification. But there are different properties & characteristics of diodes which can be used for different application. These characteristics are modified to form different types of diodes.
主要特征参数
- 最大整流电流（Maximum Rectification Current）
- 最高反向工作电压（Maximum Reverse Voltage）
- 反向电流（Reverse Current）
- 最高工作频率（Maximum Frequency）
自举二极管
晶体管
晶体管主要分为两种类型，BJT 和 FET。
工作区域：晶体管的导通状态，分为三种，分别是饱和、截止和放大，分别是指
BJT
BJT，即 Bioplar Junction Transistor，双极性结型晶体管。
注意：晶体管的符号示意中，箭头的方向永远是从P指向N的，此时先不用管c、b、e是怎么接，确定好。
BJT结构特点：三极三区两PN结，发射区多子浓度高，基区多子浓度低且薄，集电区 面积大。
发射区：多数载流子较高的区域，自由电子流出的方向。
基区：多数载流子浓度较低且薄的区域。
集电区：面积大的区域，空穴流出的反向。
某极 是根导线，与BJT中的物理区不同。
发射结：发射区和基区之间的PN结。
集电结：集电区和基区之间的PN结。
注意：以上多数载流子可以是 空穴 或 自由电子，因此 BJT 可以有 NPN 和 PNP 两种类型的BJT。
联系到实际电路连接中，一般情况下，集电区 都是接 供电电源 ， 基区 都是接 控制电源， 发射区 都是接 负端/地。控制电源的电压会低于供电电源的电压，但会大于发射区的电压。
基区所连接的控制电源 为BJT提供 高电平或低电平 予以控制半导体的导通或截止，半导体所控制的负载的最大电压取决于发射极的供电电源电压 和 基区的控制电源电压。
工作原理
从下图可以看出，下图 BJT 为 NPN 型半导体，集电区接正电，发射区接地，基区接地。集电区与基区为反向截止状态，集电结的耗尽层增大，进一步阻止集电区和发射区之间的电流导通。
若此时向基区施加正向电流，基区电压高于发射区电压，发射结正偏导通，发射区多子（电子）往基区流动，。发射区的电子能够顺利往集电区流动，集电区的电流往发射区流动，从而导通 该BJT。
集电极电流是漂移形成的，发射极电流是扩散形成的。
发射区电流 IE 是由 扩散运动形成的。
基区电流 IB 是由 复合运动形成的。
集电区电流 IC 是由 漂移运动形成的。
工作区域
FET
场效应晶体管 简称 场效应管。主要有 结型场效应管（JFET）和 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）两种类型。
JFET
MOSFET
在MOS管工作原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。
下图a中，为增强型P衬底N沟道MOS，其栅极接 高电平 即导通。
NMOS工作原理
MOS管有4个端子，其符号也是四个端子组成的，以下用NMOS举例：
NMOS底部端子连接到基板/主体（Substrate/Body），称为基板、衬底端子 或 主体端子。上方各有两个N沟道，各自连接 源极端子 和 漏极端子。两个端子中间添加了一层 薄绝缘体或电介质，在此层绝缘体上加了一个 栅极端子。
在NMOS内部构造中，源极端子 和 衬底端子 在内部连接，因此外露出来的端子只有三个。此时因 源极 和 衬底 的电位相同，阻止了任何电流从衬底流向源极。
在MOS中，希望电子从漏极流向源极，在两个极连接一个电源，其电压称为 VDS ，此时加大电压，电流却不会增大，因为漏极沟道附近的耗尽层不断增大。
栅极端子 和 主体端子 都有绝缘材料，当给栅极端子接电压较小的电压 VGS 时，两个绝缘材料形成电容效应，栅极处的多子不断吸引自由电子往栅极移动，暂时形成带自由电子较多的N区，从而导通了 源极 和 漏极，暂时形成了回路。因为 栅极处的N区是暂时连接 源极和漏极的通道，因此也被称为 N沟道。随着电压的增大或减小，沟道的大小也会随着变化。足以形成沟道的最低栅极电压被称为 阈值电压。
当不断增加栅极电压，漏极 和 衬底之间的耗尽层将因为 反向偏置 而不断增加。靠近漏极一侧的N沟道宽度将不断减小，直到某个电压点时，称为夹断效应。夹断下映实际上是说，沟道并未完全关闭，许多电子将保留通道，并不是停止了电流流动，而是出现了恒定的饱和电流，其电压被称为 饱和电压。
FET and BJT
FET 的 栅极、源极 和 漏极 对应 BJT的 基极、发射极 和 集电极，其作用类似。
| FET | BJT | |
|---|---|---|
| 电流索取 | 用“栅-源”电压控制漏极电流，栅极基本不取电流 【输入电阻高的电路选用】 |
工作时基极总要索取一定的电流 【信号源若提供电流的选用】 |
| 导电情况 | 仅多子参与导电 | 多子少子均参与导电 |
| 稳定性 | 较好 | 较差 【因少子数目受温度、辐射等因素影响较大，温度稳定性和抗辐射的能力较差些。】 |
| 噪声系数 | 小 【低噪声放大器的输入级和信噪比要求高的电路选用】 |
大 |
| 源-漏互换 | 可以互换，互换后特性变化不大 | 互换后特性差异很大，特殊需求时互换 |
| 电压范围 | 宽 | 窄 |
| 工艺 | 简单 | 复杂 |
| 耗电 | 低 | 高 |
IGFET / MOS / MOSFET 是同一个东西，还有个词叫 MISFET（Metal-Insulated-Semiconductor Field Effect Transistor，金属绝缘半导体场效应管）
功率半导体
功率半导体 器件大致分为两类： 可控功率半导体 和 不可控功率半导体。可控功率半导体 如 Thyristor（晶闸管）、BJT（双极型晶体管）、功率MOSFET 和 IGBT 。不可控功率半导体 包括各种类型的功率二极管。
IGBT
绝缘栅型双极晶体管，即 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），是由 BJT（双极型三极管)）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的 复合全控型电压驱动式功率半导体 器件, 兼有 MOSFET的 高输入阻抗 和 GTR的 低导通压降 两方面的优点。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
GTR 具有饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大的优点；
MOSFET 具有驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小的优点。
IGBT模块 是由 IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块 具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；
因为IGBT的构造所致，最好还是不要让IGBT长期工作在放大区，会让其降低使用寿命，因开关开断时而进入放大区无可避免，仅工作在 饱和区 和 截止区 即可。
三个英文符号分别表示为 栅极（Gate）、集电极（Collector）、发射极（Emitter）。
在漏极侧增加了高掺杂的P+层，称之为 集电极。
当栅极接近 负电压 或 零电压 时，PN结 J2 阻断，发射极电压远低于集电极电压，IGBT 关断 （正向阻断）；但是此刻 结J1 和 结J3 正偏导通。
当栅极接到 正电压（通常是15V）时，氧化层下方的 P区 建立 反型导电沟道，为 N-区 提供导电通路，电子从发射极到 N-区 降低了 N-区 的电位，PN结 J1导通，IGBT导通。
如果栅极电压不够大，形成的反型层较弱，流入漂移区的电子数相对较少，IGBT压降增大，即进入特性曲线的 线性放大区。工作在线性放大区会加剧损耗或损坏 IGBT，因而除了开关瞬间，应避免进入线性放大区。
IGBT 的关断电流分为 MOSFET关断阶段 和 BJT关断阶段。第一个阶段时，关断反型沟道，电流迅速下降；第二个阶段时，会产生持续时间较长的拖尾电流。
拖尾电流使得 IGBT 的关断损耗 高于 MOSFET 的关断损耗。
截止电压：
饱和电压：
击穿电压：
阈值电压：描述的是 栅极 和 发射极 之间刚好足以打开导流通道的电压。
漏电流：泄露电流，leakage current。主要是指栅极和发射极的在反向偏置状态的泄露电流，此处特性与二极管相近。
分类
IGBT可以分为 穿通型（PT）IGBT、非穿通型（NPT）IGBT、场终止型（FS）IGBT、沟槽栅（Trench）IGBT、载流子存储沟槽栅双极晶体管（CSTBT）、注入增强晶体管（IEGT）、沟槽栅终止（Trench-FS）IGBT、逆导型（RC）IGBT。
平面栅极结构 的IGBT设计，形成了JFET结构，以及发射极区软弱的电导调制效应，载流子的浓度从集电极到发射极之间逐步降低。
沟槽型栅极结构 的IGBT设计，在平面型的基础上保持载流子浓度平均分布或逐步增加载流子浓度，进一步降低通态损耗，而不影响拖尾电流和关断损耗。
载流子越少越有助于降低关断损耗。
| TYPE | 内部构造（原理） | 温度系数 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| PT-IGBT 穿通型IGBT |
 |
正温度系数 负温度系数 |
||
| NPT-IGBT 非穿通型IGBT |
 |
正温度系数 | 1. 有利于IGBT并联 | 1. 随着温度上升，损耗增大 |
| FS-IGBT 场终止型IGBT |
 |
正温度系数 | ||
| Trench-IGBT 沟槽栅IGBT |
 |
1. 更宽的导电沟道会增加IGBT短路时的电流 | ||
| CSTBT 载流子存储沟槽双极晶体管 |
 |
1. 降低了IGBT的饱和压降 | ||
| IEGT 注入增强栅晶体管 |
 |
|||
| Trench-FS IGBT 沟槽栅终止IGBT |
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1. 保持鲁棒性，通态损耗和开关损耗降低 2. 功率密度提升，即电流密度增大 3. 单位IGBT所需硅材料降低 |
||
| RC-IGBT 逆导型IGBT |
 |
术语总结
FET： Filed Effect Transistor，即 场效应管，是 利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流 的一种半导体器件，故此得名。由于其仅靠半导体中的多数载流子导电，因此也称为 单极型晶体管。
JFET： Junction Filed Effect Transistor，即 结型场效应管，有 P沟道 和 N沟道 两种类型。
IGFET： Insulated Gate Field Effect Transistor，即 绝缘栅型场效应管。因栅极与源极、栅极与漏极之间均采用二氧化硅绝缘层进行阻隔而得名如此。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管。具有 高输入阻抗、高开关频率 和 低驱动功率 的优点。
MOS： Metal-Oxide-Semiconductor，即 金属氧化物半导体。同上。
MOSFET： Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，即 金属氧化物半导体场效应管。同上。
BJT： Bipolar Junction Transistor， 即 双极结型晶体管。因带有两种不同极性电荷的载流子参与导电，故得名如此，或称 半导体三极管，简称 双极晶体管 或 晶体管。
UJT： Unijunction Transistor，即 单结晶体管。因有两个基极，也称为 双基极晶体管。
GTR： Giant Transistor，即 巨型晶体管。BJT的一种，亦称为 Power BJT（电力晶体管）。具有自关断、无须辅助关断电路、 高电流密度、低保和电压 和 耐高压 的优点。
IGBT： Insulated Gate Bipolar Transistor，即 绝缘栅双极型晶体管。
Thyristor：即 半导体闸流管 、晶闸管，又称为 硅可控元件（Silicon Controlled Rectifier）， 由按顺序排列的PNPN四层半导体组成。最外层的P区和N区构成了正负极，中间的P区构成了控制极（栅极），可以控制导通。具有耐压高、电流大、耐浪涌能力强 且 价格便宜 等优点。
GTO： Gate Turn-Off Thyristor，即 可关断晶闸管。是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。具有 普通晶闸管 和 GTR的优点，是应用于高压大容量场合中的一种大功率开关器件。
PT： Power Transistor， 即 功率晶体管 / 功率管。
IPM： Intelligent Power Module，即 智能功率模块。具有GTR 和 MOSFET 的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性。
参考
- 《模拟电子技术基础》高等教育出版社，童师白
- 《IGBT模块：技术、驱动和应用》机械工业出版社，Andreas Volke and Michael Hornkamp
- 逆变器的分类方式有哪些
- IGBT
- 场效应管
- 晶体二极管
- 晶体管
- Difference Between Diode & Transistor
- 半导体分类知识大全
- IGBT—功率半导体皇冠上的明珠
- Types of Diodes and Their Applications - 24 Types of Diodes