晶體管入門基礎知識全面解析

晶體管大致分為三種類型：雙極型、場效應型和絕緣柵雙極型。雙極晶體管屬于電流驅動器件。場效應晶體管（FET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）屬于電壓驅動器件。

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，可以將小信號轉換成大信號。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。當小電流（I(B)）從基極流向發(fā)射極時，I(B)×h(FE)的電流I(C)從集電極流向發(fā)射極。

BJT是由基極電流驅動的電流驅動器件。

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。

結型場效應晶體管（JFET）

JFET：結型場效應晶體管

（1）在N溝道結型場效應晶體管（圖3-3（a））中，當在漏極和源極之間施加電壓時，電子從源極流向漏極。

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

（3）如果柵極和源極之間的反向偏壓進一步增加，耗盡層就會阻塞通道，電子流動停止。

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)。所以場效應晶體管是電壓驅動的器件。

金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）

金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）是目前最受關注的晶體管。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 轉換器、逆變器設備等，而P溝道則用于負載開關、高邊開關等。雙極晶體管和MOSFET之間的差異如表3-1所示。

BJT和MOSFET的差異

關于BJT和MOSFET開關操作差異的解釋。

（1）基極電壓升高時，BJT的基極電流開始流動，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。這個電壓被稱為基極-發(fā)射極閾值電壓（VBE）。為了使集電極電流流動，需要提供基極電流，并且需要連續(xù)的驅動功率。（需要低驅動電壓、連續(xù)驅動功率）（2）由于MOSFET根據(jù)柵極-源極電壓形成一個溝道，這個電壓必須是一定的或更高的電壓。一旦溝道形成，導通狀態(tài)繼續(xù)，漏極電流繼續(xù)流動，因此所需的驅動功率很小。通過釋放積聚在柵極中的電荷并移除溝道，它將轉變?yōu)殛P閉狀態(tài)。（驅動電壓高于BJT，驅動功率?。?/p>

MOSFET的結構和工作原理

我們將參照圖3-6（a）來解釋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型層轉變?yōu)閚型區(qū)（p型層中的n型區(qū)稱為“反轉層（溝道）”）。（4）當這個反轉層完成時，MOSFET漏極到源極將形成n層路徑。（n＋?n－? 反轉層（n）? n＋）（5）因此MOSFET在低電阻下工作，漏極電流由外加VDS和負載流決定。

MOSFET性能改進：R(DS(ON))的決定因素

（1）MOSFET器件結構將根據(jù)要求的耐受電壓來選擇。確定導通電阻R(DS(ON))的因素如圖3-7和方程式3-（1）所示。根據(jù)器件的結構，決定導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）結構，而小于200V的產(chǎn)品大多具有溝槽MOS（U-MOS）結構。因此，當耐受電壓V(DSS)＝600V時，Rdrift成為主導因素，當耐受電壓是30V時，因素R(ch)的比例較高。

MOSFET性能改進：低R(DS(ON))的解決方案

針對MOSFET的最大問題，我們正采取以下對策：“如何有效利用元件面積以有效降低導通電阻”

（1）高電壓：下一頁將介紹通過先進的超結工藝降低Rdrift電阻。（2）低電壓：通過對溝槽結構的精細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：超級結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）通過施加VDS，耗盡層在N層中擴展，但其在SJ-MOS中的擴展方式與在一般D-MOS中不同。（關于電場強度，參見圖3-9（a）／（b）。電場強度將表示耗盡層的狀態(tài)。

（3）如果是D-MOS的情況，電場強度在P／N層接口處最強。當電場強度超過硅的極限時，會發(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，電場強度在N層中是均勻的。

（4）所以，SJ-MOS可采用具有較低電阻的N層設計，以實現(xiàn)低導通電阻產(chǎn)品。

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

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，計算如下。（有些產(chǎn)品采用了不同的電流表達式。）通過熱阻和結溫來計算功耗。漏極電流將采用歐姆定律，由計算得出的功耗和導通電阻進行計算。

(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)，并且低于額定結溫Tch，則即使超過了額定電壓V(DSS)，它也不會擊穿損壞。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：它影響延遲時間；C(iss)越大，延遲時間越長。

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。高速驅動需要低電容。

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：它影響關斷特性和輕載時的損耗。如果(Coss)較大，關斷dv／dt減小，這有利于噪聲。但輕載時的損耗增加。

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）：電流和電壓在關斷操作時的可用面積。

由于用于開關操作，施加的脈寬非常窄。

每種模式的定義如圖3-12（a）所示。

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

F.B. SOA由三個限制區(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。

這三個限制區(qū)域由器件額定值限制或由熱阻計算。但二次擊穿區(qū)域是通過測量實際器件獲得。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

IGBT是一種適合于大電流控制的器件，它的前級有電壓驅動MOSFET，后級有允許大電流流動的晶體管。

IGBT：絕緣柵雙極晶體管

[等效電路和操作細節(jié)]

IGBT的等效電路如圖3-13（b）所示。設置RBE值使NPN Tr不會導通。

對N溝道MOSFET柵極施加導通信號，開啟導通狀態(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。（電導率調(diào)制效應）

[與MOSFET比較]

柵極驅動操作與N溝道MOSFET相同。

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

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

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）對柵極施加正電壓，將在柵極下面的P層中形成反轉層。圖3-14（b）中的N溝道MOSFET導通與常規(guī)N溝道MOSFET一樣。

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

（3）結果，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（電導調(diào)制效應）。

因此，如圖3-14（b）所示，N溝道MOSFET的導通電阻變低?！?/p>

IGBT的性能改進：垂直設計的發(fā)展

如圖3-15（a）所示，IGBT的垂直設計一直在發(fā)展。從PT結構開始，隨著薄晶片的使用，薄型PT（通常稱為“場截止”）結構正在成為主流。（柵極結構與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”）。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)操作時也更容易平衡集電極電流。

什么是RC-IGBT和IEGT?

反向導通IGBT：RC-IGBT

RC-IGBT的結構如圖3-16（a）所示。二極管由一部分p型層構成，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。

隨著薄晶片技術的引入，這種結構的商業(yè)化也成為了可能。由于二極管和IGBT是一個芯片，所以很容易組裝。因為很難單獨控制二極管和IGBT的性能，所以RC-IGBT不適合某些應用。

*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。

柵極注入增強型晶體管：IEGT

在高壓IGBT中，由于發(fā)射極側漂移層（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的結構和原理。

它有一個溝槽柵結構。拉出柵電極將變薄。結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的應用

IGBT適用于驅動電路簡單、電流大的應用。它們目前用于50kHz以下的軟開關IH（感應加熱）設備、家用電器、車輛和各種交流驅動應用。未來，它們的應用領域有望擴展到各種交流驅動應用。

注：由于雙極操作的原因，IGBT相比于MOSFET而言不適合高速開關。

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。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的正向特性對溫度具有很強的正向依賴性，IGBT和MOSFET的性能差異隨著溫度的升高而增大。