本文描述了半導(dǎo)體行業(yè)的宏觀構(gòu)成，主要從芯片的兩大發(fā)展方向介紹了晶體管和信息時(shí)代的聯(lián)系以及IGBT工作原理和實(shí)物對(duì)照。

1、 芯片工作原理

1.1 PN結(jié)

人類根據(jù)物質(zhì)的導(dǎo)電性能強(qiáng)弱劃將材料分為導(dǎo)體和絕緣體，在人類意識(shí)到半導(dǎo)體的作用前它是沒用的東西，但是計(jì)算機(jī)理論的建立讓半導(dǎo)體徹底翻了身。要想明白其中緣由，就先來講解半導(dǎo)體的原理。半導(dǎo)體指室溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，其導(dǎo)電性能可通過摻雜來改變，摻雜進(jìn)入本質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度與極性皆會(huì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性產(chǎn)生很大影響。摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，導(dǎo)電載流子主要是導(dǎo)帶中的電子（N型），摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，屬空穴型導(dǎo)電（P型）。單個(gè)半導(dǎo)體沒有什么用，但是把兩個(gè)不同類型的半導(dǎo)體放在一起就會(huì)得到一個(gè)PN結(jié)，進(jìn)而成為產(chǎn)品則為二極管，它最核心的功能就是單向?qū)щ娦裕涔ぷ髟砜蓞⒄障聢D①。

圖一 PN結(jié)原理圖

2.2 晶體管

進(jìn)一步的，如果將三個(gè)半導(dǎo)體放在一起，則會(huì)構(gòu)成晶體管，晶體管的具體工作原理則不在此贅述②。我們只需要知道晶體管的作用進(jìn)化成為了開關(guān)，它可以根據(jù)柵極的電平控制晶體管的導(dǎo)通。晶體管包含三極管和場效應(yīng)管，場效應(yīng)管又分MOSFET和JFET等，其中芯片行業(yè)主要使用的為MOS管。三極管主要充當(dāng)簡單的電子開關(guān)，但它在大電流工況下導(dǎo)通功耗很高。MOS同樣在大電流下工作功耗會(huì)高，但導(dǎo)通功耗低，所以它就成為消費(fèi)電子中主要使用的晶體管。畢竟在低電流工況下，它只需要解決簡單的散熱問題即可。

圖二 晶體管構(gòu)造圖

隨著人類對(duì)芯片要求的提高以及對(duì)晶體管加工技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)可以制造3nm的晶體管用于芯片上，同時(shí)也發(fā)明了各種先進(jìn)晶體管類型，例如FinFET等，其中3nm指的是芯片制程，由晶體管的柵極寬度決定③。因?yàn)榫w管尺寸的縮小意味著單位面積內(nèi)可以承載更多的計(jì)算單元，從而處理更多的信息，現(xiàn)實(shí)寫照就是芯片處理信息更快，所以全球各國都想在芯片的先進(jìn)程度上占得領(lǐng)先。同時(shí)芯片尺寸的縮小和制造還離不開各種芯片生產(chǎn)機(jī)器，如光刻機(jī)、刻蝕機(jī)等，這就進(jìn)一步加劇了全球的芯片競爭。

圖三 現(xiàn)代晶體管

2.3 晶體管與信息時(shí)代

此時(shí)，半導(dǎo)體就可以和信息時(shí)代聯(lián)系起來了。我們都知道信息時(shí)代由計(jì)算機(jī)開啟，而計(jì)算機(jī)的核心就是0和1，不管是音頻的高低、頻率，還是圖片的三原色占比，以及讓圖片動(dòng)起來的視頻等，都可以由0和1來反映。這恰恰和晶體管的開關(guān)特性完美結(jié)合，即通電（高電平）時(shí)代表1，斷路（低電平）時(shí)代表0，進(jìn)而組成數(shù)電最核心的8個(gè)邏輯電路（與、或、非、與非、或非、與或非、異或和同或），再由這些基礎(chǔ)電路構(gòu)成了現(xiàn)在的芯片電路，就可以處理一切信息數(shù)據(jù)。這就是半導(dǎo)體行業(yè)往小體量發(fā)展的方向，但目前由于溝道效應(yīng)等問題，晶體管已經(jīng)不能再無限制的縮小下去了，所以只有往封裝方式改進(jìn)的方向走，就出現(xiàn)了2.5D、3D等先進(jìn)封裝技術(shù)④。

圖四 基本邏輯電路

2、 IBGT工作原理

2.1 IGBT模塊詳解

半導(dǎo)體行業(yè)的另一個(gè)發(fā)展方向則是功率器件，其中最主要的產(chǎn)物就是IGBT，它不用追求極致的小以獲得計(jì)算量，而是結(jié)合了前面說的兩種主要晶體管的優(yōu)點(diǎn)，屏蔽了兩者的缺點(diǎn)，在不能“既要又要”的客觀規(guī)律下，好像很難得有這樣的好事，它可耐高壓，通高電流，導(dǎo)通和工作功耗相對(duì)都不大。主要用于新能源電車、高鐵、可再生能源發(fā)電、工業(yè)控制等，是當(dāng)代生活不可缺的重要產(chǎn)品。案例為一款英飛凌的IGBT模塊，型號(hào)為FS400R07A3E3，下面分別為CAD和電路拓?fù)鋱D。

圖五 案例CAD及拓?fù)鋱D

該模塊128x11x21（mm），1-6為電源（功率）端子，接電源電路，10-22為輔助控制端（pin腳），27-28為NTC熱敏電阻，用于溫度檢測。此模塊為三相全橋電路，可以產(chǎn)生三相交流電，供電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也可反補(bǔ)電至電池進(jìn)行充電。額定電壓為700V，額定電流為800A。

2.2 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在了解了其外形、尺寸以及應(yīng)用后就可以進(jìn)入最關(guān)鍵的正題，里面結(jié)構(gòu)及其工作原理和方式。整個(gè)模塊的構(gòu)成可以通過實(shí)物圖看出，進(jìn)一步結(jié)合剖視圖可以看到IGBT還是主要由底板、焊料、Cu層、陶瓷、Cu層焊料、芯片、端子、打線和外殼構(gòu)成，主要就是保證整個(gè)模塊可以正常工作的前提下又可以得到很好的保護(hù)。

圖六 IGBT實(shí)物圖

圖七 IGBT剖視圖

其中，底板多為銅，用于模塊散熱，下接水冷管道。底板與DBC直接焊接在一起，DBC為三明治結(jié)構(gòu)，由兩塊Cu版加一片絕緣陶瓷構(gòu)成，給上部電路提供支撐的同時(shí)加強(qiáng)散熱。DBC上就焊接了最核心的芯片和打線，同時(shí)構(gòu)成完整電路。芯片上還會(huì)澆灌一層膠用于保護(hù)電路，最后外加一個(gè)外殼，構(gòu)成整個(gè)IGBT模塊。

2.3 IGBT電路導(dǎo)與實(shí)物對(duì)應(yīng)

IGBT的工作原理其實(shí)也是柵極控制整個(gè)漏極和源極的導(dǎo)通，同樣是電子開關(guān)，只是它同時(shí)具備了三極管和MOS管沒有的優(yōu)點(diǎn)，故在大電流工況下淘汰了后兩者。在導(dǎo)通時(shí)整個(gè)模塊可視為一根導(dǎo)線，且兩端壓降為0。接下來我們就結(jié)合拓?fù)鋱D和實(shí)際圖來分析工作時(shí)IGBT的工作電流流動(dòng)和原理。

首先，一個(gè)IGBT只能做開關(guān)，兩個(gè)IGBT（半橋）則可以做反相器，四個(gè)IGBT（全橋）則可以產(chǎn)生一項(xiàng)電，而工業(yè)使用的IGBT則需要產(chǎn)生三項(xiàng)交流電，即6個(gè)IGBT可實(shí)現(xiàn)，拓?fù)鋱D如下⑤。其中，不管那種電路，DC+一般與集電極相連，發(fā)射極與DC-連接，而AC端接負(fù)載。

圖八 各類IGBT拓?fù)鋱D

接下來就結(jié)合實(shí)物圖和拓?fù)鋱D來說明其工作電流流動(dòng)方式。

(以下為付費(fèi)內(nèi)容)

三、結(jié)語

以上就是整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的宏觀結(jié)構(gòu)，其余細(xì)枝末節(jié)就沒有詳細(xì)描述。特別是一些關(guān)鍵技術(shù)，比如芯片的生產(chǎn)，光刻機(jī)和刻蝕機(jī)，先進(jìn)封裝，工藝與質(zhì)量，失效分析和仿真等都可以講很多內(nèi)容。歡迎各位專家的指正批評(píng)和補(bǔ)充，我一定會(huì)虛心接受并表示衷心的感謝！

Ps：①②③④⑤對(duì)應(yīng)的知識(shí)可以在b站查看相關(guān)視頻進(jìn)行了解。

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