Toshiba分立半导体器件之晶体管

上一篇我们介绍了二极管,这篇就来了解下微电子时代的“开启者”-晶体管。按照结构不同,晶体管大致可分为双极性晶体管(BJT)、场效应管(MOSFET)、和绝栅双极晶体管(IGBT)。它们的主要区别在于内部端极PN结的构造。其中双极晶体管属于电流驱动器件,场效应管和绝缘栅双极晶体管属于电压驱动器件。




1、双极性晶体管(BJT)

双极晶体管有两种类型:NPN型和PNP型(如下图),在这三层半导体中,中间一层为基极,外侧两层分别称发射极和集电极。具有放大信号的功能。NPN型产品覆盖与低耐受电压到高耐受电压产品,而PNP型产品的电压耐受为400V或以下,其中以耐受200V或以下为主流产品。




2、场效应管(MOSFET)

 MOSFET的全称为金属氧化物半导体场效应管,根据极性不同分N沟道和P沟道两种类型。MOSFET共有三个引脚,分别为栅极(Gate)、漏极(Drain)和源极(Source),常用的MOSFE从结构上来分为横向双扩散型场效应晶体管(Lateral Double-Diffused MOS)、平面双扩散型场效应晶体管(Planar MOS)和沟槽双扩散型场效应晶体管(Trench MOS)。以下就简单介绍下MOSFET各主要缩写参数的含义。



  • ID漏极电流:ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下,管表面温度在25℃或者更高温度下,可允许的最大连续直流电流,该参数为结与管壳之间额定热阻和管壳温度的函数:


  • PD功耗:容许沟道总功耗标定了器件可以消散的最大功耗,表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。



  • 雪崩能力:如果能在一定的能量、漏极电流ID范围内,并且低于额定结温Tch,则即使超过了额定电压VDSS,它也不会击穿损坏。这就是所谓的雪崩能力,允许能量被称为雪崩能量,电流被称为雪崩电流。


  • 电容特性:Ciss、Crss和Coss的电容特性是影响MOSFET开关特性的重要因素:

    Ciss输入电容(Ciss=Cgd+Cgs):栅极-漏极和栅极-源极电容之和:它影响延迟时间;Ciss越大,延迟时间越长。

    Crss反向转移电容(Crss=Cgd):栅极-漏极电容:Crss越大,漏极电流上升特性越差,这不利于MOSFET的损耗。高速驱动需要低电容。

    Coss输出电容(Coss=Cgd+Cds):栅极-漏极和漏极-源极电容之和:它影响关断特性和轻载时的损耗。如果Coss较大,关断dv/dt减小,这有利于噪声。但轻载时的损耗增加。


4、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和IEGT

IGBT是由BJT和MOS组成的符合全控型电压驱动功率半导体器件,它将前级的电压驱动MOSFET和后级允许大电流流过的晶体管组合,是一种适合于大电流控制的器件。凭借其驱动功率小、导通压降低和控制电路简单的特点有效地解决了这一难题。

如下图所示,图示中的上半部分为一个典型的MOSFET结构,作为输入极,下半部分是PNP型晶体管结构,作为输出极。当在IGBT栅极施加正电压时,将在栅极下面的P层中形成反转层,则MOSFET导通。当它导通后可以为下半部分的PNP晶体管提供基极电流使其呈导通状态。若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管关断。


 

在高压电路中,IGBT由于发射极侧漂移层(N型层)的载流子浓度较低,所以难以获得低VCE(sat)特性。注入增强栅晶体管(IEGT)的开发来弥补了这一问题。IEGT也是东芝专属的器件名称和专利产品。IEGT具有和IGBT相似的结构、输出特性和驱动特性。它有一个沟槽栅结构。与IGBT相比,IEGT的栅极更深,增加了栅极至发射极的电阻从而阻止了载流子通过发射极侧,使得发射极侧的载流子浓度升高,高的载流子密度降低了漂移层的电阻,使VCE(sat)降低。



至此,晶体管这一章的内容就为大家介绍完毕了,简单总结如下:


BJT:
输入阻抗低、反向电容大、安全工作区域小

MOSFET:开关速度快,导通压降大、安全工作区域大

IGBT:驱动功率小、饱和压降低、快关速度和安全区域结余BJT和MOSFET之间。

MOS管可广泛应用于电源、网络、通信、汽车电子、工业控制、医疗设备、LED照明、安防、消费类电子产品等行业。如电源类产品中的开关电源、不间断电源UPS、AC/DC、DC/DC、手机充电器等产品都有大量需求。

IGBT广泛应用于工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、以及轨道交通、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。如新能源汽车、充电桩市场,智能电网中的风力风电、光伏发电市场,家用电器中的白色家电、微波炉、变频空调、变频冰箱等都有需求。

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