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半導(dǎo)體MOS管、IGBT和三極管是三種常見的半導(dǎo)體器件，但它們在結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用場景上卻都有著顯著的區(qū)別。

簡單來說：MOS管、IGBT和三極管比較，MOS管開關(guān)速度最快，三極管最慢，而IGBT內(nèi)部是靠MOS管先開通驅(qū)動三極管開通（這個原理決定了它的開關(guān)速度比MOS管慢，比三極管快，和幾代技術(shù)無關(guān)）。MOS管的最大劣勢是隨著耐壓升高，內(nèi)阻迅速增大（不是線性增大），所以高壓下內(nèi)阻很大，不能做大功率應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，無論MOS管還是IGBT，它們的各種參數(shù)仍在優(yōu)化。目前IGBT技術(shù)主要是歐美和日本壟斷，國內(nèi)最近幾年也幾個公司研究工藝，但目前都不算特別的成熟，所以IGBT基本都是進口。IGBT的制造成本比MOS管高很多，主要是多了薄片背面離子注入，薄片低溫退火（最好用激光退火），而這兩個都需要專門針對薄片工藝的昂貴的機臺（wafer一般厚度150um-300um之間）。那具體來說這三種元器件之間有什么區(qū)別呢？這就是本期要跟大家分享的。

一、MOS管的工作原理

電壓控制開關(guān)：通過柵極電壓控制導(dǎo)通，驅(qū)動簡單，適合高頻場景。

高頻低損：低壓時導(dǎo)通電阻小，但高壓下?lián)p耗顯著增加。

MOS管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），以NPN型為例，兩邊是高濃度N型摻雜，底部P型摻雜除了正電空穴，還會帶有少數(shù)負電的自由電子，中間會有耗盡層上面黃色是絕緣層，藍色是金屬基板，底部藍色區(qū)域也有一塊金屬襯底和P區(qū)貼在一起。

當給柵極G施加電壓，兩塊基板之間形成電場，會吸引自由電子向上。當電壓達到一定值時，中間形成的自由電子鋪滿形成溝道，此時溝道與N區(qū)相連。

當給S和D通電，電子就能通過實現(xiàn)導(dǎo)通。

正極吸引電子離開，負極填充空穴，會使右邊耗盡層增大，隨著電流越大耗盡層會影響導(dǎo)通，所以導(dǎo)通的電阻值較大。假設(shè)還是用100A的電流，DS之間導(dǎo)通功耗也不小，所以MOS管的優(yōu)點是柵極控制功耗很低。

那有沒有把兩者的優(yōu)勢結(jié)合到一起呢？

二、IGBT的工作原理

高壓大電流開關(guān)：結(jié)合MOSFET的電壓控制與BJT的低導(dǎo)通壓降，耐壓高（可達數(shù)千伏），但開關(guān)速度中等。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是將高濃度N型摻雜放在中間，再包圍P型摻雜（其中含有少數(shù)自由電子），底部是多層摻雜，頂部基板是源極S，底部基板是漏極D，加上電源，現(xiàn)在PN結(jié)增大無法直接導(dǎo)通，下一步在兩側(cè)P區(qū)和N區(qū)的交匯處，加上絕緣層和金屬基板，這就是柵極。

當施加電壓形成電場會吸引電子移動形成溝道，此時中心N區(qū)和外部N區(qū)相連，那么源極電子可以進入，溝道最終導(dǎo)通通過。其中控制功耗很低，同時導(dǎo)通大電流時功耗也很低。

三、三極管的工作原理

電流放大器：用小基極電流控制大集電極電流。

低頻開關(guān)：導(dǎo)通時壓降低（約0.3V），但開關(guān)速度慢。

三極管（BJT，Bipolar Junction Transistor）的結(jié)構(gòu)是給一塊純硅進行三層摻雜，其中較窄區(qū)域高濃度N型摻雜，含有大量自由電子，中間極窄區(qū)域普通濃度P型摻雜，含有少數(shù)空穴，上邊較寬區(qū)域普通濃度N型摻雜，含有正常數(shù)量的電子，中間會形成兩道耗盡層給CE通電。

上邊的正極會吸引電子離開，中間的耗盡層會增寬，由于P區(qū)非常薄，再加上上邊是普通濃度摻雜，所以寬度增加有限，但是現(xiàn)在新的電子還無法通過，再給BE通電，新的電子同性相斥，會突破第一層耗盡層實現(xiàn)導(dǎo)通，其中導(dǎo)通過程是每離開一個電子形成空穴，就會擴散涌入大量電子搶占空穴，其中一顆進入空穴，由于第二層耗盡層寬度有限，剩余β倍的電子向上的力會大于第二層耗盡層的電場力，那么就會漂移擴散進入集電極，再被正極吸引。

電流的方向和電子相反，也就是流入基極的電流。集電極等于基極電流的β倍，最終匯總發(fā)射極等于基極+集電極。其中集電極到發(fā)射機之間的導(dǎo)通電阻很小，假設(shè)通過一個非常大的電流100A，那么CE之間的功耗會比較小，但是設(shè)定β是100，也就是需要1A的電流通過BE，BE之間有0.4～0.7V左右的壓降，在實際應(yīng)用中一直保持1A的電流輸出，發(fā)熱功耗會非常嚴重，所以三極管總功耗反而會很大。

所以能不能用低電流低功耗的方法實現(xiàn)控制高電流呢？

四、三種半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵區(qū)別

MOS管 適合電壓控制、開關(guān)速度快的高頻和低功耗應(yīng)用，如電源管理和LED驅(qū)動。

IGBT 結(jié)合了MOS管和三極管的優(yōu)點，適合高壓、大電流的開關(guān)應(yīng)用，如變頻器和電機驅(qū)動，但開關(guān)速度較慢。

三極管 適合小電流控制大電流的場景，具有較大的電流增益，但開關(guān)速度慢，適用于模擬電路和小信號放大。

也許你會好奇，隨便打開一MOS管資料，查看原理圖，總能在它旁邊有一個二極管的存在，這其實是MOS管的生產(chǎn)工藝造成的，并不是在MOS管內(nèi)部加了一個二極管。MOS管的內(nèi)部可以看成是兩個背靠背的二極管，而在設(shè)計的時候，通常將源極S和襯底內(nèi)部相連，這樣就與漏極之間形成了一個二極管。

NMOS:

PMOS:

我們把這種由生產(chǎn)工藝而形成的二極管稱之為體二極管，也就是寄生二極管。

寄生二極管的作用:

1、區(qū)分源極S和漏極D;

2、保護作用，當電路中出現(xiàn)很大的瞬間反向電流時可以通過這個二極管排出，而不會對二極管造成傷害;

3、將MOS管的源極和漏極反接，因為體二極管的存在，MOS管就會失去開關(guān)的作用。

二極管的工作原理

二極管的工作原理主要基于p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的p-n結(jié)（pn結(jié)）當沒有外加電壓時，p-n結(jié)兩側(cè)由于載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等，從而處于電平衡狀態(tài)。當二極管兩端加上正向電壓（陽極接正極，陰極接負極）時，p-n結(jié)附近的p型半導(dǎo)體中的空穴和n型半導(dǎo)體中的電子會向?qū)Ψ綌U散，形成電流，此時二極管呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，允許電流通過。相反，當二極管兩端加上反向電壓（陽極接負極，陰極接正極）時，p-n結(jié)附近的p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的載流子無法有效擴散，導(dǎo)致幾乎沒有電流通過，此時二極管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。

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審核編輯 黃宇