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

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：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(dòng)三極管開通（這個(gè)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(wú)關(guān)）。MOS管的最大劣勢(shì)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(wú)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(guó)內(nèi)最近幾年也幾個(gè)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(jìn)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(gè)都需要專門針對(duì)薄片工藝的昂貴的機(jī)臺(tái)（wafer一般厚度150um-300um之間）。那具體來(lái)說(shuō)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(guò)柵極電壓控制導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，適合高頻場(chǎng)景。

高頻低損：低壓時(shí)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(huì)帶有少數(shù)負(fù)電的自由電子，中間會(huì)有耗盡層上面黃色是絕緣層，藍(lán)色是金屬基板，底部藍(lán)色區(qū)域也有一塊金屬襯底和P區(qū)貼在一起。

當(dāng)給柵極G施加電壓，兩塊基板之間形成電場(chǎng)，會(huì)吸引自由電子向上。當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，中間形成的自由電子鋪滿形成溝道，此時(shí)溝道與N區(qū)相連。

當(dāng)給S和D通電，電子就能通過(guò)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。

正極吸引電子離開，負(fù)極填充空穴，會(huì)使右邊耗盡層增大，隨著電流越大耗盡層會(huì)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(diǎn)是柵極控制功耗很低。

那有沒(méi)有把兩者的優(yōu)勢(shì)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(dá)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(wú)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(dāng)施加電壓形成電場(chǎng)會(huì)吸引電子移動(dòng)形成溝道，此時(shí)中心N區(qū)和外部N區(qū)相連，那么源極電子可以進(jìn)入，溝道最終導(dǎo)通通過(guò)。其中控制功耗很低，同時(shí)導(dǎo)通大電流時(shí)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(shí)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(jìn)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(huì)形成兩道耗盡層給CE通電。

上邊的正極會(huì)吸引電子離開，中間的耗盡層會(huì)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(wú)法通過(guò)，再給BE通電，新的電子同性相斥，會(huì)突破第一層耗盡層實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，其中導(dǎo)通過(guò)程是每離開一個(gè)電子形成空穴，就會(huì)擴(kuò)散涌入大量電子搶占空穴，其中一顆進(jìn)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(huì)大于第二層耗盡層的電場(chǎng)力，那么就會(huì)漂移擴(kuò)散進(jìn)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(jī)之間的導(dǎo)通電阻很小，假設(shè)通過(guò)一個(gè)非常大的電流100A，那么CE之間的功耗會(huì)比較小，但是設(shè)定β是100，也就是需要1A的電流通過(guò)BE，BE之間有0.4～0.7V左右的壓降，在實(shí)際應(yīng)用中一直保持1A的電流輸出，發(fā)熱功耗會(huì)非常嚴(yán)重，所以三極管總功耗反而會(huì)很大。

所以能不能用低電流低功耗的方法實(shí)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(dòng)。

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

三極管 適合小電流控制大電流的場(chǎng)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(hào)放大。

也許你會(huì)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(gè)二極管的存在，這其實(shí)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(gè)二極管。MOS管的內(nèi)部可以看成是兩個(gè)背靠背的二極管，而在設(shè)計(jì)的時(shí)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(gè)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(hù)作用，當(dāng)電路中出現(xiàn)很大的瞬間反向電流時(shí)可以通過(guò)這個(gè)二極管排出，而不會(huì)對(duì)二極管造成傷害;

3、將MOS管的源極和漏極反接，因?yàn)轶w二極管的存在，MOS管就會(huì)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(dāng)沒(méi)有外加電壓時(shí)，p-n結(jié)兩側(cè)由于載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等，從而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)二極管兩端加上正向電壓（陽(yáng)極接正極，陰極接負(fù)極）時(shí)，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(huì)向?qū)Ψ綌U(kuò)散，形成電流，此時(shí)二極管呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，允許電流通過(guò)。相反，當(dāng)二極管兩端加上反向電壓（陽(yáng)極接負(fù)極，陰極接正極）時(shí)，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(wú)法有效擴(kuò)散，導(dǎo)致幾乎沒(méi)有電流通過(guò)，此時(shí)二極管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。

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審核編輯 黃宇