IGBT/三極管/MOS管的區(qū)別

C:集電極

B:基極

E:發(fā)射極

D:漏極

G:柵極

S:源極

?三極管的基極通過電流，就能控制燈泡點(diǎn)亮;基極不通過則熄滅?;

?MOS管則是給柵極施加高低電平也能控制導(dǎo)通點(diǎn)亮;

?IGBT和MOS管相似，也是一樣給柵極施加高低電平控制導(dǎo)通點(diǎn)亮。

★這三種元器件之間有什么區(qū)別？

?三極管工作原理

三極管的結(jié)構(gòu)是給一塊純硅進(jìn)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(huì)形成兩道耗盡層給CE通電。

?上邊的正極會(huì)吸引電子離開，中間的耗盡層會(huì)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(huì)突破第一層耗盡層實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，其中導(dǎo)通過程是每離開一個(gè)電子形成空穴，就會(huì)擴(kuò)散涌入大量電子搶占空穴，其中一顆進(jìn)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(huì)大于第二層耗盡層的電場力，那么就會(huì)漂移擴(kuò)散進(jìn)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(jī)之間的導(dǎo)通電阻很小，假設(shè)通過一個(gè)非常大的電流100A，那么CE之間的功耗會(huì)比較小，但是設(shè)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(shí)際應(yīng)用中一直保持1A的電流輸出，發(fā)熱功耗會(huì)非常嚴(yán)重，所以三極管總功耗反而會(huì)很大。

?所以能不能用低電流低功耗的方法實(shí)現(xiàn)控制高電流呢？

?MOS管工作原理

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(huì)帶有少數(shù)負(fù)電的自由電子，中間會(huì)有耗盡層上面黃色是絕緣層，藍(lán)色是金屬基板，底部藍(lán)色區(qū)域也有一塊金屬襯底和P區(qū)貼在一起。

當(dāng)給柵極G施加電壓，兩塊基板之間形成電場，會(huì)吸引自由電子向上。當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，中間形成的自由電子鋪滿形成溝道，此時(shí)溝道與N區(qū)相連。

當(dāng)給S和D通電，電子就能通過實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。

正極吸引電子離開，負(fù)極填充空穴，會(huì)使右邊耗盡層增大，隨著電流越大耗盡層會(huì)影響導(dǎo)通，所以導(dǎo)通的電阻值較大。假設(shè)還是用100A的電流，DS之間導(dǎo)通功耗也不小，所以MOS管的優(yōu)點(diǎn)是柵極控制功耗很低。?

那有沒有把兩者的優(yōu)勢結(jié)合到一起呢？?

?IGBT工作原理

IGBT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(jié)增大無法直接導(dǎo)通，下一步在兩側(cè)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(dāng)施加電壓形成電場會(huì)吸引電子移動(dòng)形成溝道，此時(shí)中心N區(qū)和外部N區(qū)相連，那么源極電子可以進(jìn)入，溝道最終導(dǎo)通通過。其中控制功耗很低，同時(shí)導(dǎo)通大電流時(shí)功耗也很低。?

總結(jié):三極管的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通電阻小功耗低，缺點(diǎn)是電流控制功耗大;MOS管導(dǎo)通電阻比較高功耗大，但優(yōu)點(diǎn)是電壓控制功耗低;而IGBT則是兩者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，導(dǎo)通電阻小，電壓控制功耗低。

?擴(kuò)展補(bǔ)充1:

也許你會(huì)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(gè)二極管的存在，這其實(shí)是MOS管的生產(chǎn)工藝造成的，并不是在MOS管內(nèi)部加了一個(gè)二極管。

MOS管的內(nèi)部可以看成是兩個(gè)背靠背的二極管，而在設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常將源極S和襯底內(nèi)部相連，這樣就與漏極之間形成了一個(gè)二極管。

NMOS:

PMOS:

我們把這種由生產(chǎn)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:?

?區(qū)分源極S和漏極D;

?保護(hù)作用，當(dāng)電路中出現(xiàn)很大的瞬間反向電流時(shí)可以通過這個(gè)二極管排出，而不會(huì)對(duì)二極管造成傷害;

?將MOS管的源極和漏極反接，因?yàn)轶w二極管的存在，MOS管就會(huì)失去開關(guān)的作用。

?擴(kuò)展補(bǔ)充2（二極管的工作原理）:

?二極管的工作原理主要基于p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的p-n結(jié)（pn結(jié)）

當(dāng)沒有外加電壓時(shí)，p-n結(jié)兩側(cè)由于載流子濃度差引起的擴(kuò)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(dāng)二極管兩端加上正向電壓（陽極接正極，陰極接負(fù)極）時(shí)，p-n結(jié)附近的p型半導(dǎo)體中的空穴和n型半導(dǎo)體中的電子會(huì)向?qū)Ψ綌U(kuò)散，形成電流，此時(shí)二極管呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，允許電流通過。

相反，當(dāng)二極管兩端加上反向電壓（陽極接負(fù)極，陰極接正極）時(shí)，p-n結(jié)附近的p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的載流子無法有效擴(kuò)散，導(dǎo)致幾乎沒有電流通過，此時(shí)二極管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。



審核編輯：劉清