半导体MOS管、IGBT和三极管区别的详解；-电子发烧友网

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半导体MOS管、IGBT和三极管是三种常见的半导体器件，但它们在结构、工作原理和应用场景上却都有着显著的区别。

简单来说：MOS管、IGBT和三极管比较，MOS管开关速度最快，三极管最慢，而IGBT内部是靠MOS管先开通驱动三极管开通（这个原理决定了它的开关速度比MOS管慢，比三极管快，和几代技术无关）。MOS管的最大劣势是随着耐压升高，内阻迅速增大（不是线性增大），所以高压下内阻很大，不能做大功率应用。随着技术发展，无论MOS管还是IGBT，它们的各种参数仍在优化。目前IGBT技术主要是欧美和日本垄断，国内最近几年也几个公司研究工艺，但目前都不算特别的成熟，所以IGBT基本都是进口。IGBT的制造成本比MOS管高很多，主要是多了薄片背面离子注入，薄片低温退火（最好用激光退火），而这两个都需要专门针对薄片工艺的昂贵的机台（wafer一般厚度150um-300um之间）。那具体来说这三种元器件之间有什么区别呢？这就是本期要跟大家分享的。

一、MOS管的工作原理

电压控制开关：通过栅极电压控制导通，驱动简单，适合高频场景。

高频低损：低压时导通电阻小，但高压下损耗显著增加。

MOS管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），以NPN型为例，两边是高浓度N型掺杂，底部P型掺杂除了正电空穴，还会带有少数负电的自由电子，中间会有耗尽层上面黄色是绝缘层，蓝色是金属基板，底部蓝色区域也有一块金属衬底和P区贴在一起。

当给栅极G施加电压，两块基板之间形成电场，会吸引自由电子向上。当电压达到一定值时，中间形成的自由电子铺满形成沟道，此时沟道与N区相连。

当给S和D通电，电子就能通过实现导通。

正极吸引电子离开，负极填充空穴，会使右边耗尽层增大，随着电流越大耗尽层会影响导通，所以导通的电阻值较大。假设还是用100A的电流，DS之间导通功耗也不小，所以MOS管的优点是栅极控制功耗很低。

那有没有把两者的优势结合到一起呢？

二、IGBT的工作原理

高压大电流开关：结合MOSFET的电压控制与BJT的低导通压降，耐压高（可达数千伏），但开关速度中等。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是将高浓度N型掺杂放在中间，再包围P型掺杂（其中含有少数自由电子），底部是多层掺杂，顶部基板是源极S，底部基板是漏极D，加上电源，现在PN结增大无法直接导通，下一步在两侧P区和N区的交汇处，加上绝缘层和金属基板，这就是栅极。

当施加电压形成电场会吸引电子移动形成沟道，此时中心N区和外部N区相连，那么源极电子可以进入，沟道最终导通通过。其中控制功耗很低，同时导通大电流时功耗也很低。

三、三极管的工作原理

电流放大器：用小基极电流控制大集电极电流。

低频开关：导通时压降低（约0.3V），但开关速度慢。

三极管（BJT，Bipolar Junction Transistor）的结构是给一块纯硅进行三层掺杂，其中较窄区域高浓度N型掺杂，含有大量自由电子，中间极窄区域普通浓度P型掺杂，含有少数空穴，上边较宽区域普通浓度N型掺杂，含有正常数量的电子，中间会形成两道耗尽层给CE通电。

上边的正极会吸引电子离开，中间的耗尽层会增宽，由于P区非常薄，再加上上边是普通浓度掺杂，所以宽度增加有限，但是现在新的电子还无法通过，再给BE通电，新的电子同性相斥，会突破第一层耗尽层实现导通，其中导通过程是每离开一个电子形成空穴，就会扩散涌入大量电子抢占空穴，其中一颗进入空穴，由于第二层耗尽层宽度有限，剩余β倍的电子向上的力会大于第二层耗尽层的电场力，那么就会漂移扩散进入集电极，再被正极吸引。

电流的方向和电子相反，也就是流入基极的电流。集电极等于基极电流的β倍，最终汇总发射极等于基极+集电极。其中集电极到发射机之间的导通电阻很小，假设通过一个非常大的电流100A，那么CE之间的功耗会比较小，但是设定β是100，也就是需要1A的电流通过BE，BE之间有0.4～0.7V左右的压降，在实际应用中一直保持1A的电流输出，发热功耗会非常严重，所以三极管总功耗反而会很大。

所以能不能用低电流低功耗的方法实现控制高电流呢？

四、三种半导体器件的关键区别

MOS管适合电压控制、开关速度快的高频和低功耗应用，如电源管理和LED驱动。

IGBT 结合了MOS管和三极管的优点，适合高压、大电流的开关应用，如变频器和电机驱动，但开关速度较慢。

三极管适合小电流控制大电流的场景，具有较大的电流增益，但开关速度慢，适用于模拟电路和小信号放大。

也许你会好奇，随便打开一MOS管资料，查看原理图，总能在它旁边有一个二极管的存在，这其实是MOS管的生产工艺造成的，并不是在MOS管内部加了一个二极管。MOS管的内部可以看成是两个背靠背的二极管，而在设计的时候，通常将源极S和衬底内部相连，这样就与漏极之间形成了一个二极管。

NMOS:

PMOS:

我们把这种由生产工艺而形成的二极管称之为体二极管，也就是寄生二极管。

寄生二极管的作用:

1、区分源极S和漏极D;

2、保护作用，当电路中出现很大的瞬间反向电流时可以通过这个二极管排出，而不会对二极管造成伤害;

3、将MOS管的源极和漏极反接，因为体二极管的存在，MOS管就会失去开关的作用。

二极管的工作原理

二极管的工作原理主要基于p型半导体和n型半导体组成的p-n结（pn结）当没有外加电压时，p-n结两侧由于载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等，从而处于电平衡状态。当二极管两端加上正向电压（阳极接正极，阴极接负极）时，p-n结附近的p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子会向对方扩散，形成电流，此时二极管呈现低电阻状态，允许电流通过。相反，当二极管两端加上反向电压（阳极接负极，阴极接正极）时，p-n结附近的p型半导体和n型半导体的载流子无法有效扩散，导致几乎没有电流通过，此时二极管呈现高电阻状态。