本文為大家介紹“Si晶體管”(之所以前面加個(gè)Si,是因?yàn)檫€有其他的晶體管，例如SiC)。
與一般的機(jī)械開(kāi)關(guān)(如繼電器、開(kāi)關(guān))不同，晶體管是利用電信信號(hào)來(lái)控制其開(kāi)關(guān)的，開(kāi)關(guān)速度可以非?？?，在實(shí)驗(yàn)室中可以達(dá)到100GHz以上。2016年，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)突破了物理極限，將現(xiàn)有最復(fù)雜的晶體管工藝從14納米削減到1納米，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算技術(shù)的突破。
雖然統(tǒng)稱為“Si晶體管”，但根據(jù)制造工藝和結(jié)構(gòu)，還可分為“雙極”、“MOSFET”等種類。另外，還可根據(jù)處理的電流、電壓和應(yīng)用進(jìn)行分類。
下面以“功率元器件”為主題，從眾多晶體管中選取功率類元器件展開(kāi)說(shuō)明。其中，將以近年來(lái)控制大功率的應(yīng)用中廣為采用的MOSFET為主來(lái)展開(kāi)。
先來(lái)看一下晶體管的分類與特征。
Si晶體管的分類
Si晶體管的分類根據(jù)不同分類角度，有幾種不同的分類方法。在這里，從結(jié)構(gòu)和工藝方面粗略地分類如下。其中，本篇的主題“功率類”加粗/涂色表示。
雙極晶體管和MOSFET中，分功率型和小信號(hào)型，IGBT原本是為處理大功率而開(kāi)發(fā)的晶體管，因此基本上僅有功率型。
順便提一下，MOSFET為Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的縮寫(xiě)，是場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的一種。IGBT為Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫(xiě)。
下面就雙極晶體管、MOSFET、IGBT，匯總了相對(duì)于晶體管的主要評(píng)估項(xiàng)目的特征。
對(duì)于各項(xiàng)目的評(píng)估是基于代表性的特性進(jìn)行的，因此存在個(gè)別不吻合的內(nèi)容。請(qǐng)理解為整體的傾向、特征。另外，這些晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理與代表性的參數(shù)如下。
雙極晶體管(圖中以NPN為例)由PN結(jié)組成，通過(guò)在基極流過(guò)電流，而在集電極-發(fā)射極間流過(guò)電流。如前面的特征匯總表中所示，關(guān)于驅(qū)動(dòng)，需要根據(jù)與放大系數(shù)、集電極電流之間的關(guān)系來(lái)調(diào)整基極電流等。與MOSFET顯著不同的是，用于放大或?qū)?關(guān)斷的偏置電流會(huì)流經(jīng)晶體管(基極)。
另外，MOSFET中有稱為“導(dǎo)通電阻”的參數(shù)，尤其是處理大功率時(shí)是重要的特性。但雙極晶體管中沒(méi)有“導(dǎo)通電阻”這個(gè)參數(shù)。世界上最早的晶體管是雙極晶體管，所以可能有人說(shuō)表達(dá)順序反了，不過(guò)近年來(lái)，特別是電源電路中MOSFET是主流，可能很多人都是從MOSFET用起來(lái)的，因此這里以MOSFET為主。下面言歸正傳。與雙極晶體管的導(dǎo)通電阻相對(duì)應(yīng)的是VCE(sat)，這是集電極-發(fā)射極間的飽和電壓。這是流過(guò)既定的集電極電流時(shí)，即晶體管導(dǎo)通時(shí)的電壓降，因此可通過(guò)該值求得導(dǎo)通時(shí)的電阻。
MOSFET(圖中以Nch為例)通過(guò)給柵極施加電壓在源極與漏極間創(chuàng)建通道來(lái)導(dǎo)通。另外，柵極通過(guò)源極及漏極與氧化膜被絕緣，因此不會(huì)流過(guò) “導(dǎo)通”意義上的電流。但是，需要被稱為“Qg”的電荷。
關(guān)于MOSFET，將再次詳細(xì)介紹。
IGBT為雙極晶體管與MOSFET的復(fù)合結(jié)構(gòu)。是為了利用MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的晶體管。
與MOSFET同樣能通過(guò)柵極電壓控制進(jìn)行高速工作，還同時(shí)具備雙極晶體管的高耐壓、低導(dǎo)通電阻特征。
工作上與MOSFET相同，通過(guò)給柵極施加電壓形成通道來(lái)流過(guò)電流。結(jié)構(gòu)上MOSFET(以Nch為例)是相同N型的源極與漏極間流過(guò)電流，而IGBT是從P型的集電極向N型的發(fā)射極流過(guò)電流，也就是與雙極晶體管相同。因此，具有MOSFET的柵極相關(guān)的參數(shù)，以及雙極晶體管的集電極-發(fā)射極相關(guān)的參數(shù)。
基本工作特性比較
這三種晶體管的工作特性各不相同。以下是Vce/Vds相對(duì)于基本的Ic/Id的特性。功率元器件基本上被用作開(kāi)關(guān)，因此一般盡量在Vce/Vds較低的條件下使用。這是在使用的電路條件下，探討哪種晶體管最適合時(shí)的代表特性之一。
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