為什么MOSFET和IGBT特性不同？

場效應(yīng)管是上世紀(jì)50年代在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的，今天你的電腦CPU里面就是上億個這玩意兒。IGBT是Prof. Baliga發(fā)明的大功率器件，他正指望靠IGBT拿炸藥獎。這些都是半導(dǎo)體工業(yè)的里程碑，今天到處都在用，卻沒人認(rèn)真細(xì)究其區(qū)別與原理。 我們都知道，場效應(yīng)管包括MOSFET，JFET等通?？梢杂糜诟哳l的應(yīng)用場合，其特性更類似于一個電阻即導(dǎo)通電阻。而晶體管一類的功率半導(dǎo)體，如IGBT，相對頻率更低，電流更大，但是存在一個導(dǎo)通的前向電壓。為什么會出現(xiàn)這種情況？下面我們來分析一下。以下僅僅是我個人的理解，歡迎討論。 ------------------------------------------- 首先回顧一下基礎(chǔ)知識

我們知道本征半導(dǎo)體是不導(dǎo)電的，好比純水的導(dǎo)電性不強(qiáng)，想要它導(dǎo)電，就摻上雜質(zhì)。讓水導(dǎo)電就給他加鹽，產(chǎn)生離子，讓半導(dǎo)體導(dǎo)電，就摻上三價(jià)或者五價(jià)元素，形成空穴或者電子。

如果把P型和N型半導(dǎo)體放在一起，就形成了PN結(jié)。由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型多電子，天之道損有余而補(bǔ)不足，所以，電子會從N一側(cè)自行擴(kuò)散到P一側(cè)，這叫做擴(kuò)散作用。這時(shí)就形成一個電場，方向是N到P，它會把電子拉拽回來，這叫做漂移作用。兩個之間在某種程度上達(dá)到了平衡，中間形成那一小部分帶電場的區(qū)域，叫做耗盡層Depletion region。由于耗盡層中，電子都已經(jīng)進(jìn)了空穴，所以好比水里面的離子被固定住了，因此耗盡層不導(dǎo)電。

想要PN結(jié)導(dǎo)通，就讓其正偏，抵消掉耗盡層中的電場，這樣，電子又可以愉快地流動，擴(kuò)散作用被成功解鎖開。這部分解鎖電壓就是二極管的門限電壓。但是由于這個結(jié)正反偏時(shí)，會有一定充電效果，可以等效成一個非線性的電容，因此帶PN結(jié)的器件，是有最高工作頻率的，再高它就不能阻斷電壓了。這很容易理解，因?yàn)殡娙莶荒茏韪艚涣麟妷骸?/p>

基本知識補(bǔ)充完畢，我們來看看場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)。 --------------------------------------------------------- 1.下面是一個N溝道JFET的結(jié)構(gòu)。

它中間原本就是有一整塊N型半導(dǎo)體的，所以，不加任何電壓時(shí)，它就是導(dǎo)通的。想要它關(guān)斷怎么辦？那我就在柵極和源級之間加上負(fù)電壓，這樣，這個耗盡層就會增大，我們知道耗盡層沒有自由電子空穴，所以他就不再導(dǎo)電。好比你慢慢捏你的鼻子，捏到兩邊貼一起你就不能呼吸了。這就是為什么JFET是常通器件，很多固態(tài)斷路器就用JFET。 2. MOSFET是怎么實(shí)現(xiàn)常閉的呢？這是一個簡單的平面型N溝道MOSFET結(jié)構(gòu)，需要注意的是，圖中是水平結(jié)構(gòu)的MOSFET，通常用在CMOS等小功率器件上，而功率MOSFET為了增大電壓，通常采用垂直結(jié)構(gòu)，也就是通常說的VDMOS?？梢钥闯?，它是不能導(dǎo)電的，因?yàn)楸挥疫叺腜N結(jié)阻斷了。要怎么導(dǎo)通呢？

在G和S之間加上正向電壓，同時(shí)，把P型半導(dǎo)體的底部（即基極，base）和S極連在一起。由于G和P之間，有一層由二氧化硅構(gòu)成的絕緣層，因此，在G上面加正電，對應(yīng)的就會在P半導(dǎo)體上感應(yīng)出一層電子，這層電子就構(gòu)成了N型導(dǎo)電溝道。這里有一個trick，一般來說，這層二氧化硅（GOX）越厚，門極越不容易擊穿，管子質(zhì)量越好。而D極和S極也是靠電子導(dǎo)電，因此，整個MOSFET就導(dǎo)通了。我們都知道，Vgs越高，通常電阻越小，原因就在這里：Vgs越高，感應(yīng)出來的電子就越多。 3. 由于MOSFET和JFET在導(dǎo)電時(shí)，中間沒有一層PN結(jié)，所以，它們的特性就像一塊電阻。而三極管類型的，它是兩個反接的PN結(jié)，所以，在導(dǎo)通時(shí)，必須先克服一個PN結(jié)的內(nèi)電場，所以，一般IGBT，BJT都會有一定的前向電壓。前面分析過，由于PN結(jié)電容的存在，所以IGBT和BJT的頻率一般沒有場效應(yīng)器件高。 4. 為什么MOSFET反接后，特性像個二極管？如圖所示，就非常明確了，自然形成了一個正偏PN結(jié)，這就是體二極管。同理，當(dāng)你加上正向Vgs，導(dǎo)電溝道形成后，即使反向?qū)?，電流會選擇走電壓更低的導(dǎo)電溝道通路，因此反向?qū)〞r(shí)，加上Vgs可以讓導(dǎo)通壓降減小，這就是為什么LLC，移相全橋一類含有整流器的拓?fù)浜蛨D騰柱PFC，希望能做同步整流提高效率。

------------------------------------------ 來看看IGBT的結(jié)構(gòu)

它的工作原理，可以按照上面的方法去分析。等效圖可以看出，IGBT有一個三極管串聯(lián)MOSFET，因此，三極管的這個PN結(jié)就帶來了前向電壓，結(jié)電容也帶來了更大的開關(guān)損耗。但是不同于MOSFET，MOSFET導(dǎo)電的只是溝道部分，IGBT的導(dǎo)通區(qū)域更大，可傳導(dǎo)電流更多，因此，IGBT通常用于大功率中低頻率場合。另外，反向電壓時(shí)，這部分電壓加在了PNP上，所以，IGBT不自帶體二極管，而且一般不能承受較高的反向電壓，需要外面自接一個反并聯(lián)二極管增強(qiáng)反向?qū)芰Α?/p>

審核編輯 ：李倩