POWER MOSFET与IGBT之基础知识

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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。

happjsh

谢谢分享
:victory: :victory:

owen8863

呵呵

有学了点东西

不错！！！

kelvincjfchi

好像这些书上都有的啊
还是要谢谢了...

yudehongkm

谢谢，介绍虽然不多。

wpfcom2008

不错的资信 谢谢

wangjiaoyan

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。

yangzhi304

LZ，好象是书上的吧，也够辛苦的了，谢谢你把它帖上来。

lsstudio

感谢楼主:lol

mandylion2008

谢谢了，学习中。。。。

zxz213

虽然很老的文章，仍然要感谢一下分享者。谢谢。

hudou

不错的东东，谢谢分享