晶體管的類型

晶體管大致分為三種類型：雙極型、場(chǎng)效應(yīng)型和絕緣柵雙極型。雙極晶體管屬于電流驅(qū)動(dòng)器件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）屬于電壓驅(qū)動(dòng)器件。

雙極晶體管（BJT）

雙極晶體管有兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型產(chǎn)品涵蓋低耐受電壓到高耐受電壓產(chǎn)品。耐受電壓為400V或以下的PNP型產(chǎn)品，特別是耐受電壓為200V或以下的PNP型產(chǎn)品是主流產(chǎn)品。它們有放大功能，可以將小信號(hào)轉(zhuǎn)換成大信號(hào)。集電極電流I(C)與基極電流I(B)（I(C)／I(B)）之比稱為直流電流增益，用h(FE)表示。當(dāng)小電流（I(B)）從基極流向發(fā)射極時(shí)，I(B)×h(FE)的電流I(C)從集電極流向發(fā)射極。

BJT是由基極電流驅(qū)動(dòng)的電流驅(qū)動(dòng)器件。

NPN晶體管的操作

基極電流：從基極到發(fā)射極的電流

集電極電流：從集電極到發(fā)射極的電流

PNP晶體管的操作

基極電流：從發(fā)射極到基極的電流

集電極電流：從發(fā)射極到集電極的電流

內(nèi)置偏置電阻型晶體管（BRT）

BRT是指偏置電阻內(nèi)置型晶體管。BJT通常配合電子設(shè)備中的電阻器使用。使用BRT（集成了晶體管和電阻器）可以減少安裝面積。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）

JFET：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（1）在N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（圖3-3（a））中，當(dāng)在漏極和源極之間施加電壓時(shí)，電子從源極流向漏極。

（2）當(dāng)在柵極和源極之間施加反向偏壓時(shí)，耗盡層擴(kuò)大并抑制（1）中的電子流動(dòng)。（使電子流動(dòng)的路徑變窄）

（3）如果柵極和源極之間的反向偏壓進(jìn)一步增加，耗盡層就會(huì)阻塞通道，電子流動(dòng)停止。

如上所示，施加在柵極和源極之間的電壓控制著漏極和源極之間的狀態(tài)。所以場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電壓驅(qū)動(dòng)的器件。

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是目前最受關(guān)注的晶體管。MOSFET有兩種類型：N溝道（參見下圖3-4（a）N溝道）和P溝道（參見下圖3-4（b）P溝道）。N溝道廣泛用于AC/DC電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器設(shè)備等，而P溝道則用于負(fù)載開關(guān)、高邊開關(guān)等。雙極晶體管和MOSFET之間的差異如表3-1所示。

BJT和MOSFET的差異

關(guān)于BJT和MOSFET開關(guān)操作差異的解釋。

（1）基極電壓升高時(shí)，BJT的基極電流開始流動(dòng)，集電極電流與基極電流成正比。大約從0.7V開始發(fā)生電流流動(dòng)。這個(gè)電壓被稱為基極-發(fā)射極閾值電壓（VBE）。為了使集電極電流流動(dòng)，需要提供基極電流，并且需要連續(xù)的驅(qū)動(dòng)功率。（需要低驅(qū)動(dòng)電壓、連續(xù)驅(qū)動(dòng)功率）（2）由于MOSFET根據(jù)柵極-源極電壓形成一個(gè)溝道，這個(gè)電壓必須是一定的或更高的電壓。一旦溝道形成，導(dǎo)通狀態(tài)繼續(xù)，漏極電流繼續(xù)流動(dòng)，因此所需的驅(qū)動(dòng)功率很小。通過(guò)釋放積聚在柵極中的電荷并移除溝道，它將轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。（驅(qū)動(dòng)電壓高于BJT，驅(qū)動(dòng)功率小）

MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

我們將參照?qǐng)D3-6（a）來(lái)解釋MOSFET的工作原理。（1）在漏極為正極的漏極和源極之間施加電壓。（漏極-源極電壓：VDS）（2）在柵極為正極的柵極和源極之間施加電壓。（柵極-源極電壓：VGS）（3）其結(jié)果是，電子被吸引到柵極絕緣膜下面的p型層上，部分p型層轉(zhuǎn)變?yōu)閚型區(qū)（p型層中的n型區(qū)稱為“反轉(zhuǎn)層（溝道）”）。（4）當(dāng)這個(gè)反轉(zhuǎn)層完成時(shí)，MOSFET漏極到源極將形成n層路徑。（n＋?n－? 反轉(zhuǎn)層（n）? n＋）（5）因此MOSFET在低電阻下工作，漏極電流由外加VDS和負(fù)載流決定。

MOSFET性能改進(jìn)：R(DS(ON))的決定因素

（1）MOSFET器件結(jié)構(gòu)將根據(jù)要求的耐受電壓來(lái)選擇。確定導(dǎo)通電阻R(DS(ON))的因素如圖3-7和方程式3-（1）所示。根據(jù)器件的結(jié)構(gòu)，決定導(dǎo)通電阻的因素比例將發(fā)生變化。（2）例如，許多中高壓MOSFET（250V及以上）具有平面MOS（π-MOS）結(jié)構(gòu)，而小于200V的產(chǎn)品大多具有溝槽MOS（U-MOS）結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)耐受電壓V(DSS)＝600V時(shí)，Rdrift成為主導(dǎo)因素，當(dāng)耐受電壓是30V時(shí)，因素R(ch)的比例較高。

MOSFET性能改進(jìn)：低R(DS(ON))的解決方案

針對(duì)MOSFET的最大問(wèn)題，我們正采取以下對(duì)策：“如何有效利用元件面積以有效降低導(dǎo)通電阻”

（1）高電壓：下一頁(yè)將介紹通過(guò)先進(jìn)的超結(jié)工藝降低Rdrift電阻。（2）低電壓：通過(guò)對(duì)溝槽結(jié)構(gòu)的精細(xì)圖形化可最大限度降低Rch電阻，采用薄晶片降低Rsub電阻。

MOSFET性能改進(jìn)：超級(jí)結(jié)MOSFET（SJ-MOS）

（1）SJ-MOS在N層具有柱狀P層（P柱層）。P層和N層交替排列。（參見圖3-9（b））

（2）通過(guò)施加VDS，耗盡層在N層中擴(kuò)展，但其在SJ-MOS中的擴(kuò)展方式與在一般D-MOS中不同。（關(guān)于電場(chǎng)強(qiáng)度，參見圖3-9（a）／（b）。電場(chǎng)強(qiáng)度將表示耗盡層的狀態(tài)。

（3）如果是D-MOS的情況，電場(chǎng)強(qiáng)度在P／N層接口處最強(qiáng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)硅的極限時(shí)，會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，這就是電壓極限。另一方面，如果是SJ-MOS的情況，電場(chǎng)強(qiáng)度在N層中是均勻的。

（4）所以，SJ-MOS可采用具有較低電阻的N層設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻產(chǎn)品。

采用與DMOS相同尺寸的芯片，SJ-MOS可以實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻。

MOSFET的性能：漏極電流和功耗

允許損耗和漏極電流是MOSFET的典型最大額定值，計(jì)算如下。（有些產(chǎn)品采用了不同的電流表達(dá)式。）通過(guò)熱阻和結(jié)溫來(lái)計(jì)算功耗。漏極電流將采用歐姆定律，由計(jì)算得出的功耗和導(dǎo)通電阻進(jìn)行計(jì)算。

(D)：功耗? 器件指定溫度條件下允許的功耗

I(D)：漏極電流

?直流額定值：正向流動(dòng)的直流電流。（在室溫下定義）

I(Dp)：脈沖漏極電流

?指定脈寬下的最大漏極電流。一般是直流電流的4倍。

MOSFET的性能：雪崩能力

作為MOSFET的一個(gè)特性，如果它在一定的能量、漏極電流ID范圍內(nèi)，并且低于額定結(jié)溫Tch，則即使超過(guò)了額定電壓V(DSS)，它也不會(huì)擊穿損壞。這就是所謂的雪崩能力，允許能量被稱為雪崩能量，電流被稱為雪崩電流。

MOSFET的性能：電容的特性

C(iss)、C(rss)和C(oss)的電容特性是影響MOSFET開關(guān)特性的重要因素。

C(iss)：輸入電容（C(iss)＝C(gd)＋C(gs)）

?柵極-漏極和柵極-源極電容之和：它影響延遲時(shí)間；C(iss)越大，延遲時(shí)間越長(zhǎng)。

C(rss)：反向傳輸電容（C(rss)＝C(gd)）

?柵極-漏極電容：C(rss)越大，漏極電流上升特性越差，這不利于MOSFET的損耗。高速驅(qū)動(dòng)需要低電容。

C(oss)：輸出電容（C(oss)＝C(gd)＋C(ds)）

?柵極-漏極和漏極-源極電容之和：它影響關(guān)斷特性和輕載時(shí)的損耗。如果(Coss)較大，關(guān)斷dv／dt減小，這有利于噪聲。但輕載時(shí)的損耗增加。

MOSFET的性能：安全工作區(qū)域（或安全操作區(qū)域

）

安全工作區(qū)域（SOA）有兩種模式。

（1）正向偏置SOA（F.B. SOA）：電流和電壓在導(dǎo)通狀態(tài)下的可用面積。（2）反向偏壓SOA（R.B. SOA）：電流和電壓在關(guān)斷操作時(shí)的可用面積。

由于用于開關(guān)操作，施加的脈寬非常窄。

每種模式的定義如圖3-12（a）所示。

關(guān)于雪崩保證，通常保證MOSFET關(guān)斷時(shí)的額定電壓／電流操作（短時(shí)），但R.B. SOA尚未公布。

F.B. SOA由三個(gè)限制區(qū)域（額定電流、額定電壓和熱阻區(qū)）和二次擊穿區(qū)域組成。

這三個(gè)限制區(qū)域由器件額定值限制或由熱阻計(jì)算。但二次擊穿區(qū)域是通過(guò)測(cè)量實(shí)際器件獲得。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

IGBT是一種適合于大電流控制的器件，它的前級(jí)有電壓驅(qū)動(dòng)MOSFET，后級(jí)有允許大電流流動(dòng)的晶體管。

IGBT：絕緣柵雙極晶體管

[等效電路和操作細(xì)節(jié)]

IGBT的等效電路如圖3-13（b）所示。設(shè)置RBE值使NPN Tr不會(huì)導(dǎo)通。

對(duì)N溝道MOSFET柵極施加導(dǎo)通信號(hào)，開啟導(dǎo)通狀態(tài)。

電流從發(fā)射極流向PNP Tr的基部。這種基極電流可以降低N溝道MOSFET。（電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)）

[與MOSFET比較]

柵極驅(qū)動(dòng)操作與N溝道MOSFET相同。

在導(dǎo)通狀態(tài)下，N溝道MOS的導(dǎo)通電阻降低可以實(shí)現(xiàn)大電流。

從PNP Tr發(fā)射極到基部的電壓降發(fā)生在整個(gè)電流區(qū)域（加起來(lái)大約1.0V作為導(dǎo)通電壓）。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的工作原理

如圖3-14（a）所示連接的IGBT的操作如下所示。

（1）對(duì)柵極施加正電壓，將在柵極下面的P層中形成反轉(zhuǎn)層。圖3-14（b）中的N溝道MOSFET導(dǎo)通與常規(guī)N溝道MOSFET一樣。

（2）當(dāng)N溝道MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí) ，集電極的電位為正。因此，空穴將從P＋通過(guò)N＋注入到N-，這種注入加速了發(fā)射極電子的注入。

（3）結(jié)果，載流子（電子和空穴）的增加降低了通常具有高電阻的N層電阻（電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)）。

因此，如圖3-14（b）所示，N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻變低。·

IGBT的性能改進(jìn)：垂直設(shè)計(jì)的發(fā)展

如圖3-15（a）所示，IGBT的垂直設(shè)計(jì)一直在發(fā)展。從PT結(jié)構(gòu)開始，隨著薄晶片的使用，薄型PT（通常稱為“場(chǎng)截止”）結(jié)構(gòu)正在成為主流。（柵極結(jié)構(gòu)與MOSFET相同。）

PT型的V(CE(sat))特性是具有高溫和室溫條件下交叉的電流值（稱為“Q點(diǎn)”）。由于高溫V(CE(sat))在NPT型（如MOSFET）中始終很高，因此即使在并聯(lián)操作時(shí)也更容易平衡集電極電流。

什么是RC-IGBT和IEGT?

反向?qū)↖GBT：RC-IGBT

RC-IGBT的結(jié)構(gòu)如圖3-16（a）所示。二極管由一部分p型層構(gòu)成，p型層作為IGBT的n型集電極。該二極管具有與FWD(*1)相同的功能，F(xiàn)WD(*1)通常插入IGBT中。

隨著薄晶片技術(shù)的引入，這種結(jié)構(gòu)的商業(yè)化也成為了可能。由于二極管和IGBT是一個(gè)芯片，所以很容易組裝。因?yàn)楹茈y單獨(dú)控制二極管和IGBT的性能，所以RC-IGBT不適合某些應(yīng)用。

*1：FWD—續(xù)流二極管。一般用于輸送電抗器產(chǎn)生的回流電流。

柵極注入增強(qiáng)型晶體管：IEGT

在高壓IGBT中，由于發(fā)射極側(cè)漂移層（n型層）載流子濃度較低，所以很難獲得低V(CE(sat))特性。

IEGT開發(fā)用于獲得高耐受電壓（通常為1200V或更高）下的低V(CE(sat))性能

圖3-16（b）顯示了IEGT的結(jié)構(gòu)和原理。

它有一個(gè)溝槽柵結(jié)構(gòu)。拉出柵電極將變薄。結(jié)果使得載流子聚集在薄柵電極的正下方，這就增加了發(fā)射極側(cè)的載流子濃度

高的載流子密度降低了漂移層的電阻，使V(CE(sat))降低

IGBT的應(yīng)用

IGBT適用于驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、電流大的應(yīng)用。它們目前用于50kHz以下的軟開關(guān)IH（感應(yīng)加熱）設(shè)備、家用電器、車輛和各種交流驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。未來(lái)，它們的應(yīng)用領(lǐng)域有望擴(kuò)展到各種交流驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

注：由于雙極操作的原因，IGBT相比于MOSFET而言不適合高速開關(guān)。

IGBT和MOSFET的正向特性比較

本文比較了MOSFET（D-MOS）和IGBT在500～600V電壓下的正向特性，在低電流區(qū)，MOSFET壓降小，這具有一定的優(yōu)勢(shì)。另一方面，IGBT在大電流區(qū)的正向電壓特性優(yōu)于MOSFET，如圖3-17所示。由于MOSFET的正向特性對(duì)溫度具有很強(qiáng)的正向依賴性，IGBT和MOSFET的性能差異隨著溫度的升高而增大。

該圖比較了中高壓產(chǎn)品。在工作電流區(qū)域，低壓MOSFET（如溝道MOSFET）的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于IGBT。

鑒于這些特性和開關(guān)性能：

MOSFET應(yīng)用于低電流密度和大約100kHz的開關(guān)電源工作。

IGBT應(yīng)用于高電流密度和20kHz以下的交流驅(qū)動(dòng)工作。

晶體管的結(jié)構(gòu)比較

MOSFET的數(shù)據(jù)表：最大額定值

＜最大絕對(duì)額定值＞

漏極-源極電壓（V(DSS)）可施加的最大漏極-源極電壓

柵極-源極電壓（V(GSS)）可施加的最大柵極-源極電壓設(shè)計(jì)電路時(shí)不得超過(guò)這個(gè)電壓，包括浪涌電壓。

漏極電流（I(D)）最大漏極電流

漏極電流（脈沖）（I(DP)）最大脈沖漏極電流通常，脈寬如安全工作區(qū)域中所述。

功耗（P(D)）允許在器件中產(chǎn)生的功率損失Tc＝25℃時(shí)的容許熱容量。

單脈沖和連續(xù)雪崩能量（E(AS)）在指定條件下的最大允許能量

雪崩電流（I(AR)）雪崩操作時(shí)的最大電流

結(jié)溫（T(ch)）器件運(yùn)行時(shí)的最高結(jié)溫

存儲(chǔ)溫度（T(tsg)）不使用MOSFET的存儲(chǔ)溫度范圍

注1：確保結(jié)溫不超過(guò)150℃。注2：V(DD)＝90V，T(ch)＝25℃（初始），L＝4.36mH，R(G)＝25Ω，I(AR)＝3.0A注3：重復(fù)額定值：由最大結(jié)溫限制的脈寬。該晶體管是靜電敏感器件。請(qǐng)小心處理。

MOSFET的數(shù)據(jù)表：電氣特性

＜熱特性＞用于計(jì)算結(jié)溫

＜電氣特性＞

柵極泄漏電流（I(GSS)）從柵極到源極的截?cái)嚯娏?/p>

漏極截止電流（I(DSS)）從漏極到源極的截?cái)嚯娏?/p>

漏極-源極擊穿電壓（V((BR)DSS)）漏極-源極擊穿電壓柵極和源極短路，以免形成通道

柵極閾值電壓（V(th)）能夠發(fā)送指定漏極電流的柵極-源極電壓

漏極-源極導(dǎo)通電阻（R(DS(ON))）它對(duì)應(yīng)于雙極晶體管的集電極-發(fā)射極飽和電壓（V(CE(sat))）電壓降用指定條件下的電阻表示。它具有正溫度系數(shù)。

正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納（|Y(fs)|）輸出電流的變化與柵極輸入電壓的變化之比。其單位是“S：西門子”，與[A]／[V]相同。

MOSFET的數(shù)據(jù)表：電容和開關(guān)特性

＜電氣特性＞

輸入電容（C(iss)）等于C(gd)＋C(gs)柵極-漏極和柵極-源極電容

反向傳輸電容（C(rss)）等于C(gd)柵極-漏極電容

輸出電容（C(oss)）等于C(gd)＋C(ds)柵極-漏極和漏極-源極和柵極-漏極電容

上升時(shí)間（t(r)）是漏極-源極電壓從90%變?yōu)?0%的時(shí)間

導(dǎo)通時(shí)間（t(on)）柵極-源極電壓上升到10%的瞬間和漏極-源極電壓下降到10%的瞬間之間的間隔時(shí)間

下降時(shí)間（t(f)）漏極-源極電壓從10%變?yōu)?0%的時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間（t(off)）柵極-源極電壓下降到90%的瞬間和漏極-源極電壓上升到90%的瞬間之間的間隔時(shí)間

MOSFET的數(shù)據(jù)表：體二極管

＜電氣特性＞

連續(xù)漏極反向電流（I(DR)）直流漏極-源極二極管的正向電流

脈沖漏極反向電流（I(DRP)）脈沖漏極-源極二極管的正向電流

正向電壓（二極管）（V(DSF)）正向電流漏極-源極二極管的電壓降

反向恢復(fù)時(shí)間（t(rr)）指定條件下漏極-源極二極管的反向恢復(fù)時(shí)間

反向恢復(fù)電荷（Q(rr)）指定條件下漏極-源極二極管的反向恢復(fù)電荷

審核編輯：黃飛