一文详解耗尽型和增强型MOSFET、BJT、IGBT

一文详解耗尽型和增强型MOSFET、BJT、IGBT

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/zhy07321517526/article/details/131371413

前言

本文将详细解释耗尽型和增强型MOSFET（N沟道和P沟道）、BJT（双极型晶体管）以及IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的工作原理、特性及其应用。这些半导体器件在现代电子设备中扮演着至关重要的角色，理解它们的基本工作原理对于电子工程师和相关领域的技术人员来说至关重要。

一、BJT：双极型结型晶体管

1. 三极管的工作原理和功能

双极型结型晶体管（BJT）是一种可以控制流过负载电流大小的器件。NPN型三极管在线性放大区（集电结反偏，发射结正偏）时，增大基极电流（Ib）可以使集电极电流（Ic）增大；在截止区（Vbe < 0.7V，发射结反偏）和饱和区（集电结正偏，Vbc > 0.7V）时，可以作为开关控制。

• 发射区：N型高掺杂，以便发射结正偏，从发射区注入基区的电子在基区形成相当高的电子浓度梯度。
• 基区：掺杂P型，很薄，发射区向基区注射的少部分电子和空穴形成基极电流，所以需要基极向基区输送正电荷和电子结合，产生电流。
• 集电区：较低浓度但面积很大的N型掺杂，以便基区高浓度的电子扩散进集电区形成集电极电流。

2. 三极管共射极电路

给三极管发射结E加上正向偏置电压，因为PN结（发射结）的输入曲线是指数关系，即当输入电压超过二极管的门限电压后，输入电压增加很少，输入电流就会急剧增加。

三极管基区空穴主要由基极提供，所以双极性晶体管也叫电流型控制器件。MOSFET是电压控制输出电流，所以称为电压型控制器件。

Ie=Ib+Ic

这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系

Ib*β1=Ic

式中：β1–称为直流放大倍数

Rc是对集电极电流起到限流作用（限制Ic大小）

3. PN结输入特性曲线

4. 三极管的Ic-Vce输出特性曲线

截至区（cut-off-region）；线性放大区（active region）；饱和区（saturation region）

1. 当输入电压小于门限三极管的门限电压时，Vbe<0.7V,Ib <= 0，小于基极截至电流（Base cut-off-current），此时集电极只有很少的漏电流流过（collector cut-off current），三极管工作在截至状态。
2. 当输入电压高于门限三极管的门限电压时，Vbe>0.7V时，输入基极电流由(Vin-Vbe)/R1决定。在正向偏置的基极电压作用下，高掺杂发射区的电子越过发射结扩散到基区。扩散到基区的一小部分自由电子与基区的空穴复合形成基极电流，复合掉的空穴由基极电流补充。当集电结反偏时，基区内的多数电子继续扩散，进入到集电区形成集电极电流。
3. 在基极电流一定的情况下，使集射极电压Vce从零开始慢慢增加（因为此时Vbe≈0.7V，当Vce从零开始增加，也就意味着集电结电压Vcb电压从-0.7V开始，慢慢增加到正值。即集电结从0.7V正偏慢慢变为反偏，如下图）
   
4. 当C电压为0，集电结正偏电压即Vbc =+0.7V，所以Ice = 0；
5. 当C电压为0-0.7V时，C端正偏电压越低，基区电子扩散到集电区越容易，从而 Ice 电流越来越大，
6. 当C电压足够大，到C端反向偏置时，B区自由电子除了在B区跟空穴复合，几乎都可以进入进入C端，（可以理解为C端电压越大，正电端越会吸引 基区即B区的自由电子，Ic电流越大，但是Vc到一定电压时，B区的自由电子被吸引完了，那么Ic电流会变成某一恒定值，）
7. 当Ib电流增加时，那么Ie电流增加，发射结电压也增加，E区扩散到B区的自由电子也增加。结合6看，可知C端电压可以增加，Ic电流也会增加。（所以要想使Ic增加，那么使Ib增加。集电结反偏时，此时三极管工作在线性放大区）
8. 正向偏置电压<0.7V时，B区的电子进入C区时受阻，但此时随着Ib电流增加，受到集电结正偏的影响，虽然会有B区进入C区的电子增加，但是Ic电流不会增加，集电结正偏时，此时 三级管工作在饱和区，和Ib电流关系不大
9. 假如 Vce = 5V，因为Vbe = 0.7V时，此时集电结反偏，三极管应该在线性放大区，如果Ib增加，那么Ic也会增加，Vce 电压很大，Ic电流非常大，会烧毁器件。

5. 总结

当Ib从0开始增加，三极管会由截至区进入线性放大区，集电结反偏，Ib足够大时，那么Vbe就很大，那么Vcb会降低到<0时，集电结正偏，三极管进入饱和区。

6. 应用分析

该电路是一个稳压管控制的串联型电压调整器，输出一个稳定的Vo=Vz-Vbe电压。集电结反偏，发电结正偏，工作在线性放大区。

当Rload 下降，Iload增加，输出电压Vo降低，Vbe增加，发射结积累的电子扩散到集电区，增大集电极电流。Ibase增加，Ic增加。（这个不懂，没有标出Vo）

二、MOS：金属氧化物半导体场效应晶体管

优点是：控制功耗低，

缺点是：导通功耗大

PMOS：Vgs是负值，Vds是负值；（解释：PMOS是gate接负压，将N型的substrate的自由电子排斥出沟道，让沟道处于正电荷占多，使P型source的正电荷空穴流到drain端）

NMOS：Vgs是正值，Vds是正值；（解释：NMOS是gate接正压，将P型的substrate的自由电子吸引到沟道，让沟道处于负电荷占多，使N型source的负自由电子流到drain端）

用于ABS、动力转向、LED照明、电机驱动器，过压保护，在400V以内均可以用MOS。

1. 增强型和耗尽型MOS管区别

1.1 增强型MOS管（常用的）

SiO2中没有任何正负电子，是栅极与沟道中间隔着绝缘层（SiO2）感应电子。

使用Vgs（th）（栅极阈值电压）控制导通；

PMOS可以用作高端驱动，导通电阻大、价格贵、替换种类少；但是NMOS也可以替代用作高端驱动，在开关电源、马达驱动电压用作NMOS管。

随着栅极偏置电压的上升，沟道变得越来越强的反转。随着栅极偏置电压的下降，沟道变的越来越弱，最后消失了。这种NMOS管的阈值电压实际上是负的。这样的晶体管称为耗尽模式NMOS，或简单的叫做耗尽型NMOS。相反，一个有正阈值电压的的NMOS叫做增强模式NMOS，或增强型NMOS。

1.2 耗尽型MOS管

可以用正、零、负电压控制导通

1. 耗尽层的NMOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的Na+或K+，Vgs = 0时，这些正离子产生的电场能在P型衬底中感应出足够的电子，形成N型导电沟道；当Vgs > 0时，N沟道变大，产生较大的Id（漏电流）；当Vgs < 0（阈值电压）时，削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，Id减小，关断；
2. 耗尽层的PMOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的负离子；
   阈值电压大于0

三、BJT和MOS比较

双极性晶体管也叫电流型控制器件（给低电压，即流过高电流）

MOSFET是电压控制输出电流，所以称为电压型控制器件

1. BJT的结温度升高时，电阻会降低，Ic增加，也会烧坏器件
2. MOSFET结温度升高时，电阻Rdson会增加。
3. BJT输入电阻小，电流在ua到ma，取决于集电结和发射结的电流，开关速度低；
4. MOSFET输入电阻大，电流在pa打开Gate，开关速度高；
5. BJT是一种单向电流器件，（NPN型：集电极流向发射极）（PNP型：发射极流向集电极）
6. MOSFET是双向电流，N沟道(NMOS)导通时，多子是自由电子，多子从sorce到drain，电流从Drain漏极到Sorce源极，所以连接时Vds 是正压；
   P沟道时，多子是空穴带正电，多子从sorce到drain，电流从Sorce源极到Drain漏极，连接时Vds是负压。

四、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）

非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能

耐受电压最高6500V，电流可达3600A，开关频率上万次/秒，

用于高电压：电动汽车、高铁、太阳能、工业自动化都要用到逆变器（最主要产品）

电池是直流电，电动机是交流电。之间转换的最核心器件就是IGBT

结合了MOS管低驱动电流和三极管低导通电阻的优势。