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IGBT/三極管/MOS管這三種元器件之間有什么區(qū)別?

芯長征科技 ? 來源:也許世界只屬于你 ? 2024-04-09 11:15 ? 次閱讀
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IGBT/三極管/MOS管的區(qū)別

wKgZomYUsxqAcxoQAACoQ9OpZ2I671.jpg

C:集電極

B:基極

E:發(fā)射極

D:漏極

G:柵極

S:源極

?三極管的基極通過電流,就能控制燈泡點(diǎn)亮;基極不通過則熄滅?;

?MOS管則是給柵極施加高低電平也能控制導(dǎo)通點(diǎn)亮;

?IGBT和MOS管相似,也是一樣給柵極施加高低電平控制導(dǎo)通點(diǎn)亮。

★這三種元器件之間有什么區(qū)別?

?三極管工作原理

三極管的結(jié)構(gòu)是給一塊純硅進(jìn)行三層摻雜,其中較窄區(qū)域高濃度N型摻雜,含有大量自由電子,中間極窄區(qū)域普通濃度P型摻雜,含有少數(shù)空穴,上邊較寬區(qū)域普通濃度N型摻雜,含有正常數(shù)量的電子,中間會形成兩道耗盡層給CE通電。

wKgZomYUszOAHbDmAAFLwjF7v9c062.jpg

?上邊的正極會吸引電子離開,中間的耗盡層會增寬,由于P區(qū)非常薄,再加上上邊是普通濃度摻雜,所以寬度增加有限,但是現(xiàn)在新的電子還無法通過,再給BE通電,新的電子同性相斥,會突破第一層耗盡層實現(xiàn)導(dǎo)通,其中導(dǎo)通過程是每離開一個電子形成空穴,就會擴(kuò)散涌入大量電子搶占空穴,其中一顆進(jìn)入空穴,由于第二層耗盡層寬度有限,剩余β倍的電子向上的力會大于第二層耗盡層的電場力,那么就會漂移擴(kuò)散進(jìn)入集電極,再被正極吸引。

wKgaomYUs0uABGfmAAEMZIfQuZQ404.jpg

電流的方向和電子相反,?也就是流入基極的電流。集電極等于基極電流的β倍,最終匯總發(fā)射極等于基極+集電極。其中集電極到發(fā)射機(jī)之間的導(dǎo)通電阻很小,假設(shè)通過一個非常大的電流100A,那么CE之間的功耗會比較小,但是設(shè)定β是100,也就是需要1A的電流通過BE,BE之間有0.4~0.7V左右的壓降,在實際應(yīng)用中一直保持1A的電流輸出,發(fā)熱功耗會非常嚴(yán)重,所以三極管總功耗反而會很大。

wKgZomYUs2CAbtqjAACfR_PiBnM046.jpg

?所以能不能用低電流低功耗的方法實現(xiàn)控制高電流呢?

?MOS管工作原理

以NPN型為例,兩邊是高濃度N型摻雜,底部P型摻雜除了正電空穴,還會帶有少數(shù)負(fù)電的自由電子,中間會有耗盡層上面黃色是絕緣層,藍(lán)色是金屬基板,底部藍(lán)色區(qū)域也有一塊金屬襯底和P區(qū)貼在一起。

wKgaomYUs3aAXQeyAADbVJjJ8jo634.jpg

當(dāng)給柵極G施加電壓,兩塊基板之間形成電場,會吸引自由電子向上。當(dāng)電壓達(dá)到一定值時,中間形成的自由電子鋪滿形成溝道,此時溝道與N區(qū)相連。

wKgaomYUs46AJedzAACt0Igk9Vg933.jpg

當(dāng)給S和D通電,電子就能通過實現(xiàn)導(dǎo)通。

wKgaomYUs6SAC4plAAEFPDkD7og068.jpg

正極吸引電子離開,負(fù)極填充空穴,會使右邊耗盡層增大,隨著電流越大耗盡層會影響導(dǎo)通,所以導(dǎo)通的電阻值較大。假設(shè)還是用100A的電流,DS之間導(dǎo)通功耗也不小,所以MOS管的優(yōu)點(diǎn)是柵極控制功耗很低。?

wKgaomYUs7aAKpIaAADOfJ2_sBI754.jpg

那有沒有把兩者的優(yōu)勢結(jié)合到一起呢??

?IGBT工作原理

IGBT是將高濃度N型摻雜放在中間,再包圍P型摻雜(其中含有少數(shù)自由電子),底部是多層摻雜,頂部基板是源極S,底部基板是漏極D,加上電源,現(xiàn)在PN結(jié)增大無法直接導(dǎo)通,下一步在兩側(cè)P區(qū)和N區(qū)的交匯處,加上絕緣層和金屬基板,這就是柵極。

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當(dāng)施加電壓形成電場會吸引電子移動形成溝道,此時中心N區(qū)和外部N區(qū)相連,那么源極電子可以進(jìn)入,溝道最終導(dǎo)通通過。其中控制功耗很低,同時導(dǎo)通大電流時功耗也很低。?

wKgZomYUs-GAYOFQAADev5dylmA964.jpg

總結(jié):三極管的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通電阻小功耗低,缺點(diǎn)是電流控制功耗大;MOS管導(dǎo)通電阻比較高功耗大,但優(yōu)點(diǎn)是電壓控制功耗低;而IGBT則是兩者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合,導(dǎo)通電阻小,電壓控制功耗低。

?擴(kuò)展補(bǔ)充1:

也許你會好奇,隨便打開一MOS管資料,查看原理圖,總能在它旁邊有一個二極管的存在,這其實是MOS管的生產(chǎn)工藝造成的,并不是在MOS管內(nèi)部加了一個二極管。

MOS管的內(nèi)部可以看成是兩個背靠背的二極管,而在設(shè)計的時候,通常將源極S和襯底內(nèi)部相連,這樣就與漏極之間形成了一個二極管。

NMOS:

wKgaomYUs_SAH1dHAABWrB1nxC0440.jpg

PMOS:

wKgaomYUtAiAcgTHAABg9g_K8rU002.jpg

我們把這種由生產(chǎn)工藝而形成的二極管稱之為體二極管,也就是寄生二極管。

寄生二極管的作用:?

?區(qū)分源極S和漏極D;

?保護(hù)作用,當(dāng)電路中出現(xiàn)很大的瞬間反向電流時可以通過這個二極管排出,而不會對二極管造成傷害;

?將MOS管的源極和漏極反接,因為體二極管的存在,MOS管就會失去開關(guān)的作用。

?擴(kuò)展補(bǔ)充2(二極管的工作原理):

?二極管的工作原理主要基于p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的p-n結(jié)(pn結(jié))

當(dāng)沒有外加電壓時,p-n結(jié)兩側(cè)由于載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等,從而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)二極管兩端加上正向電壓(陽極接正極,陰極接負(fù)極)時,p-n結(jié)附近的p型半導(dǎo)體中的空穴和n型半導(dǎo)體中的電子會向?qū)Ψ綌U(kuò)散,形成電流,此時二極管呈現(xiàn)低電阻狀態(tài),允許電流通過。

相反,當(dāng)二極管兩端加上反向電壓(陽極接負(fù)極,陰極接正極)時,p-n結(jié)附近的p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的載流子無法有效擴(kuò)散,導(dǎo)致幾乎沒有電流通過,此時二極管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。



審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:IGBT/三極管/MOS管的區(qū)別

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