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[转贴] POWER MOSFET与IGBT之基础知识

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[LV.3]偶尔看看II

发表于 2007-12-6 14:13 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国黑龙江哈尔滨

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POWER MOSFET(POWER METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR:大功率金属氧化物半导体场效晶体管)已成为大功率组件(POWER DEVICE)的主流,在市场上居于主导地位。以计算机为首之电子装置对轻薄短小化以及高机能化的要求带动POWER MOSFET的发展,此一趋势方兴未艾,技术之进步永无止境。在庞大计算机市场支撑之下,IC 开发技术人员在「大功率组件采用单晶IC(MONOLITHIC)技术」方面促成了MOS系大功率组件的突破。尤其是低耐压大功率 MOSFET,随者其母体“MOS  IC”之集积度的提高而性能大增(双极晶体管﹝BIPOLAR TRANSISTOR﹞无法达到)。大功率MOSFET的动作原理十分容易了解,适合于驱动电路及保护电路等制成IC。
    大功率组件(POWER DEVICE)不可避免地会发热,在此情况下,POWER MOSFET的MOS(METAL OXIDE SEMICONDUCTOR)系闸极(GATE)四周围绕的绝缘膜(材质通常为SiO2)的品质决定其特性及可靠度。在组件技术及应用技术确立之时期,开发完成“AVALANCHE FET”并付诸生产,此种组件即使是在崩溃(AVALANCHE)之情况下也不会发生破坏。之后,大功率 MOSFET(POWER MOSFET)剩下的未解决课题是高耐压化,1998年在市场崭露头角的“COOL MOS”将业界水准一举提高至相当高的层次。AVALANCHE FET 及COOL MOS可以说是确定MOS系大功率组件之评价的两大支柱。

    在当初,IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)期待只将NCH POWER MOSFET 的基片(SUBSTRATE)的极性从n型变更成p型就能够实现高耐压、大电流组件,但是,IGBT 在本质上为双及组件(BIPOLAR DEVICE),对于单及组件(UNIPOLAR DEVICE)POWER MOSFET 世代的技术人员而言较为难以了解。近年来,双极晶体管(BIPOLAR TRANSISTOR)的基础知识以及以往所累积的宝贵经验重新受到重视,这是有趣的现象(本来,电子之技术革新有全盘推翻以往所有技术的趋势)。

    进入1990年代后,POWER MOSFET及IGBT等MOS系组件取双极系组件(SCR〔闸流体〕、BJT〔双极接合型晶体管〕)之地位而代之,如今已成为大功率组件(POWER DEVICE)之主流,其主要原因是,MOS系集成电路如今已成为IC 的主流了。随着手提型计算器及计算机等之迅速普及,为了节省消耗功率而延长电池之使用时间,性能稍差但省电的MOS IC顿时成为时代之宠儿。同时,导入先进之IC微细加工技术之后使得大功率组件之性能大幅提高。


  
  

 
代表性之数字IC的特征
 

制造技术
数位IC
积极度﹡
能源节约
动作速度﹡﹡
低电压化

BIPOLAR
TTL
50
1~20m
1.5~10
5

I²L
300
100μ
15
1

MOS
CMOS
200
2.5μ
5~10
3

﹡5μrule之场合
GATE/mm²
W
n秒
V

﹡﹡传输延迟时间



●    POWER MOSFET之特征

第一个进入市场的MOS系大功率组件是POWER MOSFET,当初之高耐压MOSFET的功率损失(POWER LOSS)很大,而且,驱动方法与以往不同,因而为电路设计老手所排斥。不过,其高频特性十分优秀,不易破坏在低电源电压下动作时之功率损失(POWER LOSS)远低于以往之组件,因此,发挥其优点的应用技术逐渐普及,以缓慢而稳定的速度扩展市场。尤其是随着使用电池电源之便携式电子机器的迅速发展,POWER MOSFET扮演着十分重要的角色。

    POWER MOSFET的弱点是高耐压化后之功率损失激增。使用市电AC电源之电子装置所使用的POWER MOSFET的耐压必须高达500~1000V左右,在此高压领域内,在动作原理上,其功率损失较双极(BIPOLAR)系大功率组件为大。如果将组件之芯片尺寸(CHIP SIZE)加大时能够降低功率损失,但是会增加成本(在比较组件之电气性能及价格时以相同大小之芯片的条件作比较)。

●    IGBT之特征

       和POWER MOSFET的比较,IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)在耐压600V以上之领域的功率损失相当低。IGBT的输出部分属于双极组件,具有以往之双极晶体管(BJT:BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR)的优点与缺点,虽然可以藉IC之设计技术提高BJT之性能,但是,无法根本解决BJT的电荷存储时件(STORAGE TIME)问题(BJT在OFF时需耗费较长时间),因此,在需要作高速开关动作(HIGH SPEED SWITCHING)之领域较不适合使用IGBT,但是,在使用AC市电驱动之场合(例如驱动马达等之场合),在高电压大功率之应用领域内使用IGBT的效率远较POWER MOSFET为高。

    分立型半导体组件(DISCRETE SEMICONDUCTOR)将来生存之必需条件是必须能够以和制作IC相同的设备来制造(IC之生产量为大功率组件的10倍以上),而POWER MOSFET以及IGBT均具备此条件。

MOS系大功率组件之分类

大功率组件(POWER DEVICE)可依以下数点加以分类:1动作原理、2使用目的、3组件材料之种类、4截面形状、5组件基片材料(SUBSTRATE MATERIAL)之极性以及外加电极性、6容许消耗功率及外壳封装。

    此外对于POWER MOSFET加以细分追加以下数项分类:7表面形状、8偏压(BIAS)之方法、9闸极(GATE)构造、10组件内部之电流流动方式。

依动作原理而分类



    传输电流之媒体有两种,一种是以一种载子(CARRIER)传输电流的媒体,称为单极组件(UNIPOLAR ELEMENT);另外一种是以二种载子传输电流的媒体,称为双极组件(BIPOLAR ELEMENT)。前者之具体实例为FET(FIELD EFFECT TRANSISTOR),后者则有BJT(BI JUNCTION TRANSISTOR)及SCR(SILICON CONTROLLED RECTIFIER)等。如图所示为这些大功率组件的构造简图。这些组件均有3个端子,在组件内部有2~3个PN接合存在。FET和BJT内部的PN接合十分相似(不过,FET为纵向接合,BJT则为横向接合),不过,两者之动作原理完全不同,FET自始就只有一个通道(CHANNEL)存在,换句话说,泄极(DRANIN)和源极(SOURCE)间处于导通状态。反之BJT之场合,在射极(EMITTER)和集极(COLLECTOR)之间至少有一个逆方向PN接合二极管存在,此逆向二极管将电流予以阻绝。SCR由二个BJT构成,SCR顾名思意为整流器,电流仅从阳极往阴极方向作单向流通。如果利用SCR来直接控制正负变化之交流时,所能控制之范围为0~50%。将两个SCR作反向并联连接以扩大控制范围,这就是“TRIAC”电流能够双方向流通(如图示)。



POWER MOSFET与IGBT之关系

    IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)乃是MOSFET与BJT的复合组件。MOSFET与SCR之复合组件称为MCT(MOS CONTROLLED THYRISTOR),如表所示为各种大功率组件的动作速度与电流密度的比较。和单极组件POWER MOSFET比较,双极组件IGBT及MCT能够藉传导度调变提高电流密度。但是,提高电流密度之后难以令其OFF(TURN OFF),于是,电流密度较IGBT为高的MCT的OFF速度更慢。不过,双极组件的ON速度和MOSFET并无太大差异。

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参与人数 2西莫币 +18 收起 理由
18201975434 + 15 精品文章
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该用户从未签到

发表于 2008-5-29 14:27 | 显示全部楼层 来自: 中国河南许昌
谢谢分享
:victory: :victory:
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发表于 2008-6-1 23:29 | 显示全部楼层 来自: 中国重庆
呵呵

有学了点东西

不错!!!
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发表于 2008-6-29 00:57 | 显示全部楼层 来自: 中国重庆
好像这些书上都有的啊
还是要谢谢了...
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发表于 2008-7-1 14:01 | 显示全部楼层 来自: 中国上海
谢谢,介绍虽然不多。
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发表于 2008-11-3 09:45 | 显示全部楼层 来自: 中国浙江杭州
不错的资信 谢谢
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发表于 2008-11-5 00:49 | 显示全部楼层 来自: 中国江苏南京
谢谢啊,楼主有好的东西愿意和大家分享,不管书上有没有,都是值得我们学习、鼓励、赞美的事。
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发表于 2008-11-6 15:16 | 显示全部楼层 来自: 中国四川成都
LZ,好象是书上的吧,也够辛苦的了,谢谢你把它帖上来。cc_d
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发表于 2008-12-7 09:36 | 显示全部楼层 来自: 英国
感谢楼主:lol
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发表于 2009-7-21 21:21 | 显示全部楼层 来自: 中国广东深圳
谢谢了,学习中。。。。
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发表于 2010-8-11 22:50 | 显示全部楼层 来自: 中国广东深圳
虽然很老的文章,仍然要感谢一下分享者。谢谢。
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发表于 2011-8-23 16:00 | 显示全部楼层 来自: 中国广东深圳
不错的东东,谢谢分享
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