在功率半导体鼎鼎有名的igbt、mosfet与BJT，想必是硬件工程师和电源工程师每天都会打交道的器件。进入主题前，先上分别将这三种器件产品化的datasheet贴出来。
igbt
BJT出现在MOSFET之前，而MOSFET出现在IGBT之前，所以我们从中间者MOSFET的出现来阐述三者的因果故事。 MOSFET的出现可以追溯到20世纪30年代初。德国科学家Lilienfeld于1930年提出的场效应晶体管概念吸引了许多该领域科学家的兴趣，贝尔实验室的Bardeem和Brattain在1947年的一次场效应管发明尝试中，意外发明了电接触双极晶体管（BJT）。
人类历史上第一个晶体管问世
两年后，同样来自贝尔实验室的Shockley用少子注入理论阐明了BJT的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。
1960年，埃及科学家Attala及韩裔科学家Kahng在用二氧化硅改善BJT性能的过程中意外发明了MOSFET场效应晶体管，此后MOSFET正式进入功率半导体行业，并逐渐成为其中一大主力。
发展到现在，MOSFET主要应用于中小功率场合如开关电源、家用电器等，具有门极输入阻抗高、驱动功率小、电流关断能力强、开关速度快、开关损耗小等优点。
随着下游应用发展越来越快，MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻，工程师们曾尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻，但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。
这显然不是理想的改进办法。但是如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构，就不仅能够保留MOSFET原有优点，还可以通过BJT结构的少数载流子注入效应对n漂移区的电导率进行调制，从而有效降低n漂移区的电阻率，提高器件的电流能力。
经过后续不断的改进，目前IGBT已经能够覆盖从600到6500V的电压范围，应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。
IGBT凭借其高输入阻抗、驱动电路简单、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。
三者虽然在之前的基础上进行了改进，但并非是完全替代的关系，三者在功率器件市场都各有所长，应用领域也不完全重合。因此，在时间上可以将其看做祖孙三代的关系，但在技术、应用等方面更像是并列关系。
一、BJT与mosfet的区别
开始介绍MOSFET工作原理之前，先简单介绍一下n型掺杂和p型掺杂，这个仅需要中学化学知识就可以很容易理解。
工业上最常见是半导体硅是四族元素，意思即是硅最外层的价电子（自由电子）有4个。
如果我们把三族元素（比如硼B）掺杂进硅，它的最外层价电子就比周围的硅原子少了一个，因此这种掺杂之后的半导体就倾向于从外界得到一个自由电子，看起来像是正离子（但本质上是它是电中性的），我们把硼族元素在硅中形成的多数载流子称之为空穴，把这种半导体叫做p型（positive）掺杂。
类似的，如果把五族元素(比如磷P)掺杂进硅，它们就倾向失去一个自由电子，我们把这种多数载流子称之为电子，把这种半导体叫做n型（negative）掺杂。
我们先来看一个最基础的MOSFET的原理图:
源极（Source）和漏极（Drain）一定是跟同种掺杂的半导体相连的，图中是N型。
而栅极(Gate)是通过一个由氧化物（图中Oxide）构成的绝缘层（主要是SiO2）与P型半导体间接相连的。
P型半导体把源极和漏极隔绝开来，两者的多数载流子是不同的，因此在没有电压的情况下（为简单起见，仅讨论增强型MOSFET），源极和漏极之间是没有电流通过的。
这是MOSFET的截止状态。
相信大家应该很熟悉平板电容器，当有电压施加于电容器两端时，上下极板就会集中总电量相同的正负电荷。
对于MOSFET来说也是类似，氧化物上面的电极（早期是金属，现在一般是多晶硅）相当于电容器的上极板，P型半导体靠近氧化物的部分相对于下极板，而氧化物就相当于两个极板之间的电介质。
当正电压施加于栅极时，p型氧化物中也会感生出电子。这些电子会集中到靠近氧化物的区域内，看起来像一个沟道一样，宏观上，这部分p型半导体变成了n型半导体。
这样源极和栅极中红色区域n型半导体中的大量电子就可以通过这个沟道导通了，这是MOSFET的导通状态。
这是一个相当粗陋，严格来说漏洞百出的解释。但对于非专业的讨论，应该是足够了。
我还想到一个稍微不那么粗陋但又形象的解释。从能级的角度来说，漏极的电子想到源极去，就需要翻过一座很高的山：栅极的p型半导体。只有能量特别高的电子才能成功翻过这座山。当有外界电压加到栅极时，相当于人为地把这座山给削平了，这样大量能量一般的电子，也能成功翻越了。这就是MOSFET的截止和导通。
之前提到过BTJ，它的工作原理如下所示
因为不涉及科普，我就简单说了。
p与n++，p与n+都形成PN结，其中前者正向偏置，后者反向偏置，管子截止。当外界有小电流流入时，PN内的平衡被打破，n++中大量电子越过很薄的基极（p）进入n+，管子导通。
BJT与MOSFET最大的区别在于：BJT的基极（控制极）是有小电流流入的，整个管子是小电流控制大电流，一般也是工作在线性放大区，主要应用于模拟器件。而MOSFET的栅极（控制极）是与一层氧化物相接的，这层氧化物是非常好的绝缘体，因为几乎没有电流流入，它本质是电压控制电压，一般工作在截止区和饱和区，主要应用于数字器件。
MOSFET当然也会形成PN结，在对高功率MOSFET性能分析和模型的时候，这是需要专门进行讨论的。但如果仅仅进行基础性的原理介绍，它的工作原理跟PN结没有关系。
二、igbt与mosfet的区别
什么是mosfet
金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。
什么是igbt
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见。
IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。
三、igbt与mosfet在结构上的区别
igbt结构及工作原理
1、igbt结构
igbt是一个三端器件，它拥有栅极G、集电极c和发射极E。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号如图所示。
如图所示为N沟道VDMOSFFT与GTR组合的N沟道IGBT(N-IGBT)的内部结构断面示意图。
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成一个大面积的PN结J1。由于IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，因而对漂移区电导率进行调制，可使IGBT具有很强的通流能力。
介于P+注入区与N-漂移区之间的N+层称为缓冲区。有无缓冲区决定了IGBT具有不同特性。
有N*缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT，也称穿通型IGBT。它具有正向压降小、关断时间短、关断时尾部电流小等优点，但其反向阻断能力相对较弱。
无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT，也称非穿通型IGBT。它具有较强的正反向阻断能力，但它的其他特性却不及非对称型IGBT。
如图b所示的简化等效电路表明，IGBT是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构，该结构中的部分是MOSFET驱动，另一部分是厚基区PNP型晶体管。
2、igbt工作原理
简单来说，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，它的简化等效电路如图2-42(b)所示，图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。
从该等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。为图中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道IGBT，即P- IGBT。
IGBT的电气图形符号如图2-42(c)所示。IGBT是—种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压UGE决定，当栅射电压UCE为正且大于开启电压UCE（th）时，MOSFET内形成沟道并为PNP型晶体管提供基极电流进而使IGBT导通，此时，从P+区注入N-的空穴（少数载流子）对N-区进行电导调制，减小N-区的电阻RN，使高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅射极间不加信号或加反向电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。
由此可知，IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。
①当UCE为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。
②当uCE为正时：UC< UTH，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态；UG>UTH，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。
1)导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是JGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件（有两个极性的器件）。基片的应用在管体的P、和N+区之间创建了一个J结。
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道便形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，则J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整N-与N+之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。
最后的结果是在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET电流）；一个空穴电流（双极）。当UCE大于开启电压UCE(th），MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。
2)导通压降
电导调制效应使电阻RN减小，通态压降小。所谓通态压降，是指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。
3)关断
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET的电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少于）。
这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。
少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形。集电极电流将引起功耗升高、交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。
鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的Tc、IC：和uCE密切相关，并且与空穴移动性有密切的关系。
因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。当栅极和发射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
4)反向阻断
当集电极被施加一个反向电压时，J，就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以这个机制十分重要。
另外，如果过大地增加这个区域的尺寸，就会连续地提高压降。
5)正向阻断
当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，J，结受反向电压控制。
此时，仍然是由N漂移区的耗尽层承受外部施加的电压。
6)闩锁
ICBT在集电极与发射极之间有—个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。
晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。具体来说，产生这种缺陷的原因各不相同，但与器件的状态有密切关系。
四、mosfet管结构、符号及工作原理
1、mosfet管结构、符号
2、mosfet工作原理
MOS管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。
在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。
当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。
五、功率开关管的比较
常用的功率开关有晶闸管、IGBT、场效应管等。其中，晶闸管（可控硅）的开关频率最低约1000次/秒左右，一般不适用于高频工作的开关电路。
1、场效应管的特点：
场效应管的突出优点在于其极高的开关频率，其每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在500V以上，耐温150℃（管芯），而且导通电阻，管子损耗低，是理想的开关器件，尤其适合在高频电路中作开关器件使用。
但场效应管的工作电流较小，高的约20A低的一般在9A左右，限制了电路中的最大电流。
而且由于场效应管的封装形式，使得其引脚的爬电距离（导电体到另一导电体间的表面距离）较小，在环境高压下容易被击穿，使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全。
2、igbt的特点：
igbt即双极型绝缘效应管，符号及等效电路图见图，其开关频率在20~30kHz之间。
它可以通过大电流（100A以上），而且由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。
场效应管逆变焊机的特点
由于场效应管的突出优点，用场效应管作逆变器的开关器件时，可以把开关频率设计得很高，以提高转换效率和节省成本，使用高频率变压器以减小焊机的体积，使焊机向小型化，微型化方便使用。
但无论弧焊机还是切割机，它们的工作电流都很大。使用一个场效应管满足不了焊机对电流的需求，一般采用多只并联的形式来提高焊机电源的输出电流。这样既增加了成本，又降低了电路的稳定性和可靠性。
igbt焊机的特点
igbt焊机指的是使用igbt作为逆变器开关器件的弧焊机。由于igbt的开关频率较低，电流大，焊机使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较场效应管焊机有很大不同，不但体积增大，各类技术参数也改变了。
igbt焊机工作原理
1、半桥逆变电路工作原理如图所示
工作原理：
①tl时间：开关K1导通，K2截止，电流方向如图中①，电源给主变T供电，并给电容C2充电。
②t2时间：开关K1、K2都截止，负截无电流通过（死区）。
③t3时间：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放电。
④t4时间：开关K1、K2均截止，又形成死区。如此反复在负载上就得到了如图所示的电流，实现了逆变的目的。
2、igbt焊机的工作原理
①电源供给：
和场效应管作逆变开关的焊机一样，焊机电源由市电供给，经整流、滤波后供给逆变器。
②逆变：
由于igbt的工作电流大，可采用半桥逆变的形式，以igbt作为开关，其开通与关闭由驱动信号控制。
③驱动信号的产生：
驱动信号仍然采用处理脉宽调制器输出信号的形式。使得两路驱动信号的相位错开（有死区），以防止两个开关管同时导通而产生过大电流损坏开关管。驱动信号的中点同样下沉一定幅度，以防干扰使开关管误导通。
④保护电路：
IGBT焊机也设置了过流、过压、过热保护等，有些机型也有截流，以保证焊机及人身安全，其工作原理与场效应管焊机相似。
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