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半導體MOS管、IGBT和三極管是三種常見的半導體器件，但它們在結構、工作原理和應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管開關速度最快，三極管最慢，而IGBT內部是靠MOS管先開通驅動三極管開通（這個原理決定了它的開關速度比MOS管慢，比三極管快，和幾代技術無關）。MOS管的最大劣勢是隨著耐壓升高，內阻迅速增大（不是線性增大），所以高壓下內阻很大，不能做大功率應用。隨著技術發(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技術主要是歐美和日本壟斷，國內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：通過柵極電壓控制導通，驅動簡單，適合高頻場景。

高頻低損：低壓時導通電阻小，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通，所以導通的電阻值較大。假設還是用100A的電流，DS之間導通功耗也不小，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)勢結合到一起呢？

二、IGBT的工作原理

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

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結增大無法直接導通，下一步在兩側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，溝道最終導通通過。其中控制功耗很低，同時導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：導通時壓降低（約0.3V），但開關速度慢。

三極管（BJT，Bipolar Junction Transistor）的結構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)導通，其中導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)射機之間的導通電阻很小，假設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、三種半導體器件的關鍵區(qū)別

MOS管 適合電壓控制、開關速度快的高頻和低功耗應用，如電源管理和LED驅動。

IGBT 結合了MOS管和三極管的優(yōu)點，適合高壓、大電流的開關應用，如變頻器和電機驅動，但開關速度較慢。

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管的生產工藝造成的，并不是在MOS管內部加了一個二極管。MOS管的內部可以看成是兩個背靠背的二極管，而在設計的時候，通常將源極S和襯底內部相連，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型半導體和n型半導體組成的p-n結（pn結）當沒有外加電壓時，p-n結兩側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結附近的p型半導體中的空穴和n型半導體中的電子會向對方擴散，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結附近的p型半導體和n型半導體的載流子無法有效擴散，導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