晶体管入门基础知识全面解析

晶体管的类型

晶体管大致分为三种类型：双极型、场效应型和绝缘栅双极型。双极晶体管属于电流驱动器件。场效应晶体管（FET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）属于电压驱动器件。

双极晶体管（BJT）

双极晶体管有两种类型：NPN型和PNP型。NPN型产品涵盖低耐受电压到高耐受电压产品。耐受电压为400V或以下的PNP型产品，特别是耐受电压为200V或以下的PNP型产品是主流产品。它们有放大功能，可以将小信号转换成大信号。集电极电流I(C)与基极电流I(B)（I(C)／I(B)）之比称为直流电流增益，用h(FE)表示。当小电流（I(B)）从基极流向发射极时，I(B)×h(FE)的电流I(C)从集电极流向发射极。

BJT是由基极电流驱动的电流驱动器件。

NPN晶体管的操作

基极电流：从基极到发射极的电流

集电极电流：从集电极到发射极的电流

PNP晶体管的操作

基极电流：从发射极到基极的电流

集电极电流：从发射极到集电极的电流

内置偏置电阻型晶体管（BRT）

BRT是指偏置电阻内置型晶体管。BJT通常配合电子设备中的电阻器使用。使用BRT（集成了晶体管和电阻器）可以减少安装面积。

结型场效应晶体管（JFET）

JFET：结型场效应晶体管

（1）在N沟道结型场效应晶体管（图3-3（a））中，当在漏极和源极之间施加电压时，电子从源极流向漏极。

（2）当在栅极和源极之间施加反向偏压时，耗尽层扩大并抑制（1）中的电子流动。（使电子流动的路径变窄）

（3）如果栅极和源极之间的反向偏压进一步增加，耗尽层就会阻塞通道，电子流动停止。

如上所示，施加在栅极和源极之间的电压控制着漏极和源极之间的状态。所以场效应晶体管是电压驱动的器件。

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是目前最受关注的晶体管。MOSFET有两种类型：N沟道（参见下图3-4（a）N沟道）和P沟道（参见下图3-4（b）P沟道）。N沟道广泛用于AC/DC电源、DC/DC转换器、逆变器设备等，而P沟道则用于负载开关、高边开关等。双极晶体管和MOSFET之间的差异如表3-1所示。

BJT和MOSFET的差异

关于BJT和MOSFET开关操作差异的解释。

（1）基极电压升高时，BJT的基极电流开始流动，集电极电流与基极电流成正比。大约从0.7V开始发生电流流动。这个电压被称为基极-发射极阈值电压（VBE）。为了使集电极电流流动，需要提供基极电流，并且需要连续的驱动功率。（需要低驱动电压、连续驱动功率）（2）由于MOSFET根据栅极-源极电压形成一个沟道，这个电压必须是一定的或更高的电压。一旦沟道形成，导通状态继续，漏极电流继续流动，因此所需的驱动功率很小。通过释放积聚在栅极中的电荷并移除沟道，它将转变为关闭状态。（驱动电压高于BJT，驱动功率小）

MOSFET的结构和工作原理

我们将参照图3-6（a）来解释MOSFET的工作原理。（1）在漏极为正极的漏极和源极之间施加电压。（漏极-源极电压：VDS）（2）在栅极为正极的栅极和源极之间施加电压。（栅极-源极电压：VGS）（3）其结果是，电子被吸引到栅极绝缘膜下面的p型层上，部分p型层转变为n型区（p型层中的n型区称为“反转层（沟道）”）。（4）当这个反转层完成时，MOSFET漏极到源极将形成n层路径。（n＋⇔n－⇔ 反转层（n）⇔ n＋）（5）因此MOSFET在低电阻下工作，漏极电流由外加VDS和负载流决定。

MOSFET性能改进：R(DS(ON))的决定因素

（1）MOSFET器件结构将根据要求的耐受电压来选择。确定导通电阻R(DS(ON))的因素如图3-7和方程式3-（1）所示。根据器件的结构，决定导通电阻的因素比例将发生变化。（2）例如，许多中高压MOSFET（250V及以上）具有平面MOS（π-MOS）结构，而小于200V的产品大多具有沟槽MOS（U-MOS）结构。因此，当耐受电压V(DSS)＝600V时，Rdrift成为主导因素，当耐受电压是30V时，因素R(ch)的比例较高。

MOSFET性能改进：低R(DS(ON))的解决方案

针对MOSFET的最大问题，我们正采取以下对策：“如何有效利用元件面积以有效降低导通电阻”

（1）高电压：下一页将介绍通过先进的超结工艺降低Rdrift电阻。（2）低电压：通过对沟槽结构的精细图形化可最大限度降低Rch电阻，采用薄晶片降低Rsub电阻。

MOSFET性能改进：超级结MOSFET（SJ-MOS）

（1）SJ-MOS在N层具有柱状P层（P柱层）。P层和N层交替排列。（参见图3-9（b））

（2）通过施加VDS，耗尽层在N层中扩展，但其在SJ-MOS中的扩展方式与在一般D-MOS中不同。（关于电场强度，参见图3-9（a）／（b）。电场强度将表示耗尽层的状态。

（3）如果是D-MOS的情况，电场强度在P／N层接口处最强。当电场强度超过硅的极限时，会发生击穿现象，这就是电压极限。另一方面，如果是SJ-MOS的情况，电场强度在N层中是均匀的。

（4）所以，SJ-MOS可采用具有较低电阻的N层设计，以实现低导通电阻产品。

采用与DMOS相同尺寸的芯片，SJ-MOS可以实现更低的导通电阻。

MOSFET的性能：漏极电流和功耗

允许损耗和漏极电流是MOSFET的典型最大额定值，计算如下。（有些产品采用了不同的电流表达式。）通过热阻和结温来计算功耗。漏极电流将采用欧姆定律，由计算得出的功耗和导通电阻进行计算。

(D)：功耗⇒ 器件指定温度条件下允许的功耗

I(D)：漏极电流

⇒直流额定值：正向流动的直流电流。（在室温下定义）

I(Dp)：脉冲漏极电流

⇒指定脉宽下的最大漏极电流。一般是直流电流的4倍。

MOSFET的性能：雪崩能力

作为MOSFET的一个特性，如果它在一定的能量、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V(DSS)，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。

MOSFET的性能：电容的特性

C(iss)、C(rss)和C(oss)的电容特性是影响MOSFET开关特性的重要因素。

C(iss)：输入电容（C(iss)＝C(gd)＋C(gs)）

⇒栅极-漏极和栅极-源极电容之和：它影响延迟时间；C(iss)越大，延迟时间越长。

C(rss)：反向传输电容（C(rss)＝C(gd)）

⇒栅极-漏极电容：C(rss)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。

C(oss)：输出电容（C(oss)＝C(gd)＋C(ds)）

⇒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。

MOSFET的性能：安全工作区域（或安全操作区域

）

安全工作区域（SOA）有两种模式。

（1）正向偏置SOA（F.B. SOA）：电流和电压在导通状态下的可用面积。（2）反向偏压SOA（R.B. SOA）：电流和电压在关断操作时的可用面积。

由于用于开关操作，施加的脉宽非常窄。

每种模式的定义如图3-12（a）所示。

关于雪崩保证，通常保证MOSFET关断时的额定电压／电流操作（短时），但R.B. SOA尚未公布。

F.B. SOA由三个限制区域（额定电流、额定电压和热阻区）和二次击穿区域组成。

这三个限制区域由器件额定值限制或由热阻计算。但二次击穿区域是通过测量实际器件获得。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）

IGBT是一种适合于大电流控制的器件，它的前级有电压驱动MOSFET，后级有允许大电流流动的晶体管。

IGBT：绝缘栅双极晶体管

[等效电路和操作细节]

IGBT的等效电路如图3-13（b）所示。设置RBE值使NPN Tr不会导通。

对N沟道MOSFET栅极施加导通信号，开启导通状态。

电流从发射极流向PNP Tr的基部。这种基极电流可以降低N沟道MOSFET。（电导率调制效应）

[与MOSFET比较]

栅极驱动操作与N沟道MOSFET相同。

在导通状态下，N沟道MOS的导通电阻降低可以实现大电流。

从PNP Tr发射极到基部的电压降发生在整个电流区域（加起来大约1.0V作为导通电压）。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）的工作原理

如图3-14（a）所示连接的IGBT的操作如下所示。

（1）对栅极施加正电压，将在栅极下面的P层中形成反转层。图3-14（b）中的N沟道MOSFET导通与常规N沟道MOSFET一样。

（2）当N沟道MOSFET处于导通状态时 ，集电极的电位为正。因此，空穴将从P＋通过N＋注入到N-，这种注入加速了发射极电子的注入。

（3）结果，载流子（电子和空穴）的增加降低了通常具有高电阻的N层电阻（电导调制效应）。

因此，如图3-14（b）所示，N沟道MOSFET的导通电阻变低。·

IGBT的性能改进：垂直设计的发展

如图3-15（a）所示，IGBT的垂直设计一直在发展。从PT结构开始，随着薄晶片的使用，薄型PT（通常称为“场截止”）结构正在成为主流。（栅极结构与MOSFET相同。）

PT型的V(CE(sat))特性是具有高温和室温条件下交叉的电流值（称为“Q点”）。由于高温V(CE(sat))在NPT型（如MOSFET）中始终很高，因此即使在并联操作时也更容易平衡集电极电流。

什么是RC-IGBT和IEGT?

反向导通IGBT：RC-IGBT

RC-IGBT的结构如图3-16（a）所示。二极管由一部分p型层构成，p型层作为IGBT的n型集电极。该二极管具有与FWD(*1)相同的功能，FWD(*1)通常插入IGBT中。

随着薄晶片技术的引入，这种结构的商业化也成为了可能。由于二极管和IGBT是一个芯片，所以很容易组装。因为很难单独控制二极管和IGBT的性能，所以RC-IGBT不适合某些应用。

*1：FWD—续流二极管。一般用于输送电抗器产生的回流电流。

栅极注入增强型晶体管：IEGT

在高压IGBT中，由于发射极侧漂移层（n型层）载流子浓度较低，所以很难获得低V(CE(sat))特性。

IEGT开发用于获得高耐受电压（通常为1200V或更高）下的低V(CE(sat))性能

图3-16（b）显示了IEGT的结构和原理。

它有一个沟槽栅结构。拉出栅电极将变薄。结果使得载流子聚集在薄栅电极的正下方，这就增加了发射极侧的载流子浓度

高的载流子密度降低了漂移层的电阻，使V(CE(sat))降低

IGBT的应用

IGBT适用于驱动电路简单、电流大的应用。它们目前用于50kHz以下的软开关IH（感应加热）设备、家用电器、车辆和各种交流驱动应用。未来，它们的应用领域有望扩展到各种交流驱动应用。

注：由于双极操作的原因，IGBT相比于MOSFET而言不适合高速开关。

IGBT和MOSFET的正向特性比较

本文比较了MOSFET（D-MOS）和IGBT在500～600V电压下的正向特性，在低电流区，MOSFET压降小，这具有一定的优势。另一方面，IGBT在大电流区的正向电压特性优于MOSFET，如图3-17所示。由于MOSFET的正向特性对温度具有很强的正向依赖性，IGBT和MOSFET的性能差异随着温度的升高而增大。

该图比较了中高压产品。在工作电流区域，低压MOSFET（如沟道MOSFET）的导通电阻远低于IGBT。

鉴于这些特性和开关性能：

MOSFET应用于低电流密度和大约100kHz的开关电源工作。

IGBT应用于高电流密度和20kHz以下的交流驱动工作。

晶体管的结构比较

MOSFET的数据表：最大额定值

＜最大绝对额定值＞

漏极-源极电压（V(DSS)）可施加的最大漏极-源极电压

栅极-源极电压（V(GSS)）可施加的最大栅极-源极电压设计电路时不得超过这个电压，包括浪涌电压。

漏极电流（I(D)）最大漏极电流

漏极电流（脉冲）（I(DP)）最大脉冲漏极电流通常，脉宽如安全工作区域中所述。

功耗（P(D)）允许在器件中产生的功率损失Tc＝25℃时的容许热容量。

单脉冲和连续雪崩能量（E(AS)）在指定条件下的最大允许能量

雪崩电流（I(AR)）雪崩操作时的最大电流

结温（T(ch)）器件运行时的最高结温

存储温度（T(tsg)）不使用MOSFET的存储温度范围

注1：确保结温不超过150℃。注2：V(DD)＝90V，T(ch)＝25℃（初始），L＝4.36mH，R(G)＝25Ω，I(AR)＝3.0A注3：重复额定值：由最大结温限制的脉宽。该晶体管是静电敏感器件。请小心处理。

MOSFET的数据表：电气特性

＜热特性＞用于计算结温

＜电气特性＞

栅极泄漏电流（I(GSS)）从栅极到源极的截断电流

漏极截止电流（I(DSS)）从漏极到源极的截断电流

漏极-源极击穿电压（V((BR)DSS)）漏极-源极击穿电压栅极和源极短路，以免形成通道

栅极阈值电压（V(th)）能够发送指定漏极电流的栅极-源极电压

漏极-源极导通电阻（R(DS(ON))）它对应于双极晶体管的集电极-发射极饱和电压（V(CE(sat))）电压降用指定条件下的电阻表示。它具有正温度系数。

正向转移导纳（|Y(fs)|）输出电流的变化与栅极输入电压的变化之比。其单位是“S：西门子”，与[A]／[V]相同。

MOSFET的数据表：电容和开关特性

＜电气特性＞

输入电容（C(iss)）等于C(gd)＋C(gs)栅极-漏极和栅极-源极电容

反向传输电容（C(rss)）等于C(gd)栅极-漏极电容

输出电容（C(oss)）等于C(gd)＋C(ds)栅极-漏极和漏极-源极和栅极-漏极电容

上升时间（t(r)）是漏极-源极电压从90%变为10%的时间

导通时间（t(on)）栅极-源极电压上升到10%的瞬间和漏极-源极电压下降到10%的瞬间之间的间隔时间

下降时间（t(f)）漏极-源极电压从10%变为90%的时间

关断时间（t(off)）栅极-源极电压下降到90%的瞬间和漏极-源极电压上升到90%的瞬间之间的间隔时间

MOSFET的数据表：体二极管

＜电气特性＞

连续漏极反向电流（I(DR)）直流漏极-源极二极管的正向电流

脉冲漏极反向电流（I(DRP)）脉冲漏极-源极二极管的正向电流

正向电压（二极管）（V(DSF)）正向电流漏极-源极二极管的电压降

反向恢复时间（t(rr)）指定条件下漏极-源极二极管的反向恢复时间

反向恢复电荷（Q(rr)）指定条件下漏极-源极二极管的反向恢复电荷

审核编辑：黄飞