学了多年的电路，你真了解晶体管吗？

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学了多年的电路，你真了解晶体管吗？

本文为大家介绍“Si晶体管”（之所以前面加个Si,是因为还有其他的晶体管，例如SiC）。



虽然统称为“Si晶体管”，但根据制造工艺和结构，还可分为“双极”、“MOSFET”等种类。另外，还可根据处理的电流、电压和应用进行分类。



下面以“功率元器件”为主题，从众多晶体管中选取功率类元器件展开说明。其中，将以近年来控制大功率的应用中广为采用的MOSFET为主来展开。



先来看一下晶体管的分类与特征。



Si晶体管的分类



Si晶体管的分类根据不同分类角度，有几种不同的分类方法。在这里，从结构和工艺方面粗略地分类如下。其中，本篇的主题“功率类”加粗/涂色表示。



双极晶体管和MOSFET中，分功率型和小信号型，IGBT原本是为处理大功率而开发的晶体管，因此基本上仅有功率型。



顺便提一下，MOSFET为Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的缩写，是场效应晶体管 (FET) 的一种。IGBT为Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写。







Si晶体管的特征



下面就双极晶体管、MOSFET、IGBT，汇总了相对于晶体管的主要评估项目的特征。







对于各项目的评估是基于代表性的特性进行的，因此存在个别不吻合的内容。请理解为整体的倾向、特征。另外，这些晶体管的结构、工作原理与代表性的参数如下。

  





双极晶体管（图中以NPN为例）由PN结组成，通过在基极流过电流，而在集电极-发射极间流过电流。如前面的特征汇总表中所示，关于驱动，需要根据与放大系数、集电极电流之间的关系来调整基极电流等。与MOSFET显著不同的是，用于放大或导通/关断的偏置电流会流经晶体管（基极）。



另外，MOSFET中有称为“导通电阻”的参数，尤其是处理大功率时是重要的特性。但双极晶体管中没有“导通电阻”这个参数。世界上最早的晶体管是双极晶体管，所以可能有人说表达顺序反了，不过近年来，特别是电源电路中MOSFET是主流，可能很多人都是从MOSFET用起来的，因此这里以MOSFET为主。下面言归正传。与双极晶体管的导通电阻相对应的是VCE(sat)，这是集电极-发射极间的饱和电压。这是流过既定的集电极电流时，即晶体管导通时的电压降，因此可通过该值求得导通时的电阻。







MOSFET（图中以Nch为例）通过给栅极施加电压在源极与漏极间创建通道来导通。另外，栅极通过源极及漏极与氧化膜被绝缘，因此不会流过 “导通”意义上的电流。但是，需要被称为“Qg”的电荷。



关于MOSFET，将再次详细介绍。







IGBT为双极晶体管与MOSFET的复合结构。是为了利用MOSFET和双极晶体管的优点而开发的晶体管。


与MOSFET同样能通过栅极电压控制进行高速工作，还同时具备双极晶体管的高耐压、低导通电阻特征。



工作上与MOSFET相同，通过给栅极施加电压形成通道来流过电流。结构上MOSFET（以Nch为例）是相同N型的源极与漏极间流过电流，而IGBT是从P型的集电极向N型的发射极流过电流，也就是与双极晶体管相同。因此，具有MOSFET的栅极相关的参数，以及双极晶体管的集电极-发射极相关的参数。



基本工作特性比较



这三种晶体管的工作特性各不相同。以下是Vce/Vds相对于基本的Ic/Id的特性。功率元器件基本上被用作开关，因此一般尽量在Vce/Vds较低的条件下使用。这是在使用的电路条件下，探讨哪种晶体管最适合时的代表特性之一。