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晶體管的類型
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型產品涵蓋低耐受電壓到高耐受電壓產品。耐受電壓為400V或以下的PNP型產品，特別是耐受電壓為200V或以下的PNP型產品是主流產品。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)）從基極流向發射極時，I(B)×h(FE)的電流I(C)從集電極流向發射極。
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：從基極到發射極的電流
集電極電流：從集電極到發射極的電流
PNP晶體管的操作
基極電流：從發射極到基極的電流
集電極電流：從發射極到集電極的電流
內置偏置電阻型晶體管（BRT）
BRT是指偏置電阻內置型晶體管。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。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）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開始發生電流流動。這個電壓被稱為基極-發射極閾值電壓（VBE）。為了使集電極電流流動，需要提供基極電流，并且需要連續的驅動功率。（需要低驅動電壓、連續驅動功率）（2）由于MOSFET根據柵極-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，導通狀態繼續，漏極電流繼續流動，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，它將轉變為關閉狀態。（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型層轉變為n型區（p型層中的n型區稱為“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。根據器件的結構，決定導通電阻的因素比例將發生變化。（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。
（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，會發生擊穿現象，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，以實現低導通電阻產品。
采用與DMOS相同尺寸的芯片，SJ-MOS可以實現更低的導通電阻。
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，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：安全工作區域（或安全操作區域
）
安全工作區域（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由三個限制區域（額定電流、額定電壓和熱阻區）和二次擊穿區域組成。
這三個限制區域由器件額定值限制或由熱阻計算。但二次擊穿區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]
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。
電流從發射極流向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。
在導通狀態下，N溝道MOS的導通電阻降低可以實現大電流。
從PNP Tr發射極到基部的電壓降發生在整個電流區域（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N溝道MOSFET一樣。
（2）當N溝道MOSFET處于導通狀態時 ，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：垂直設計的發展
如圖3-15（a）所示，IGBT的垂直設計一直在發展。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，FWD(*1)通常插入IGBT中。
隨著薄晶片技術的引入，這種結構的商業化也成為了可能。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—續流二極管。一般用于輸送電抗器產生的回流電流。
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，MOSFET壓降小，這具有一定的優勢。另一方面，IGBT在大電流區的正向電壓特性優于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。
該圖比較了中高壓產品。在工作電流區域，低壓MOSFET（如溝道MOSFET）的導通電阻遠低于IGBT。
鑒于這些特性和開關性能：
MOSFET應用于低電流密度和大約100kHz的開關電源工作。
IGBT應用于高電流密度和20kHz以下的交流驅動工作。
晶體管的結構比較
MOSFET的數據表：最大額定值
＜最大絕對額定值＞
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-源極電壓設計電路時不得超過這個電壓，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，脈寬如安全工作區域中所述。
功耗（P(D)）允許在器件中產生的功率損失Tc＝25℃時的容許熱容量。
單脈沖和連續雪崩能量（E(AS)）在指定條件下的最大允許能量
雪崩電流（I(AR)）雪崩操作時的最大電流
結溫（T(ch)）器件運行時的最高結溫
存儲溫度（T(tsg)）不使用MOSFET的存儲溫度范圍
注1：確保結溫不超過150℃。注2：V(DD)＝90V，T(ch)＝25℃（初始），L＝4.36mH，R(G)＝25Ω，I(AR)＝3.0A注3：重復額定值：由最大結溫限制的脈寬。該晶體管是靜電敏感器件。請小心處理。
MOSFET的數據表：電氣特性
＜熱特性＞用于計算結溫
＜電氣特性＞
柵極泄漏電流（I(GSS)）從柵極到源極的截斷電流
漏極截止電流（I(DSS)）從漏極到源極的截斷電流
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)）能夠發送指定漏極電流的柵極-源極電壓
漏極-源極導通電阻（R(DS(ON))）它對應于雙極晶體管的集電極-發射極飽和電壓（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。
正向轉移導納（|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的數據表：電容和開關特性
＜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
上升時間（t(r)）是漏極-源極電壓從90%變為10%的時間
導通時間（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間
下降時間（t(f)）漏極-源極電壓從10%變為90%的時間
關斷時間（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間
MOSFET的數據表：體二極管
＜電氣特性＞
連續漏極反向電流（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
反向恢復時間（t(rr)）指定條件下漏極-源極二極管的反向恢復時間
反向恢復電荷（Q(rr)）指定條件下漏極-源極二極管的反向恢復電荷
審核編輯：黃飛
工商網監
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