熟女俱乐部五十路二区av,又爽又黄禁片视频1000免费,国产卡一卡二卡三无线乱码新区,中文无码一区二区不卡αv,中文在线中文a

"); //-->

博客專欄

EEPW首頁 > 博客 > [初階科普向] IGBT這玩意兒——定義怎么看

[初階科普向] IGBT這玩意兒——定義怎么看

發(fā)布人:橘子說IGBT 時(shí)間:2019-07-18 來源:工程師 發(fā)布文章

引用:IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極性三極管)和MOSFET(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。

上次從IGBT的名稱入手,搞清楚了IGBT柵極和雙極性所包含的背后意義。這次我們從IGBT的定義出發(fā),來看看為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件?它們之間有什么區(qū)別和聯(lián)系?在應(yīng)用的時(shí)候,什么時(shí)候能選擇IGBT、什么時(shí)候選擇BJT、什么時(shí)候又選擇MOSFET管呢?乍看這么多問題好像很頭痛,其實(shí)很簡(jiǎn)單,我們一步一步來。


為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件?


要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之間的關(guān)系,就必須對(duì)這三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理有大致的了解,下面我將用最簡(jiǎn)單易懂的語言來為大家逐一講解。

BJT:

雙極性晶體管,俗稱三極管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)(以PNP型BJT為例)如下圖所示。


1564030162211121.jpg

如同上節(jié)講的,雙極性即意味著器件內(nèi)部有空穴和電子兩種載流子參與導(dǎo)電,BJT既然叫雙極性晶體管,那其內(nèi)部也必然有空穴和載流子,理解這兩種載流子的運(yùn)動(dòng)是理解BJT工作原理的關(guān)鍵。

由于圖中 e(發(fā)射極)的P區(qū)空穴濃度要大于b(基極)的N區(qū)空穴濃度,因此會(huì)發(fā)生空穴的擴(kuò)散,即空穴從P區(qū)擴(kuò)散至N區(qū)。同理,e(發(fā)射極)的P區(qū)電子濃度要小于b(基極)的N區(qū)電子濃度,所以電子也會(huì)發(fā)生從N區(qū)到P區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

這種運(yùn)動(dòng)最終會(huì)造成在發(fā)射結(jié)上出現(xiàn)一個(gè)從N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng),即內(nèi)建電場(chǎng)。該電場(chǎng)會(huì)阻止P區(qū)空穴繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。倘若我們?cè)诎l(fā)射結(jié)添加一個(gè)正偏電壓(p正n負(fù)),來減弱內(nèi)建電場(chǎng)的作用,就能使得空穴能繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。

擴(kuò)散至N區(qū)的空穴一部分與N區(qū)的多數(shù)載流子——電子發(fā)生復(fù)合,另一部分在集電結(jié)反偏(p負(fù)n正)的條件下通過漂移抵達(dá)集電極,形成集電極電流。

值得注意的是,N區(qū)本身的電子在被來自P區(qū)的空穴復(fù)合之后,并不會(huì)出現(xiàn)N區(qū)電子不夠的情況,因?yàn)閎電極(基極)會(huì)提供源源不斷的電子以保證上述過程能夠持續(xù)進(jìn)行。這部分的理解對(duì)后面了解IGBT與BJT的關(guān)系有很大幫助。

MOSFET:

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管,簡(jiǎn)稱場(chǎng)效晶體管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)(以N-MOSFET為例)如下圖所示。

1564030161881215.jpg

在P型半導(dǎo)體襯底上制作兩個(gè)N+區(qū),一個(gè)稱為源區(qū),一個(gè)稱為漏區(qū)。漏、源之間是橫向距離溝道區(qū)。在溝道區(qū)的表面上,有一層由熱氧化生成的氧化層作為介質(zhì),稱為絕緣柵。在源區(qū)、漏區(qū)和絕緣柵上蒸發(fā)一層鋁作為引出電極,就是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

上節(jié)我們提到過一句,MOSFET管是壓控器件,它的導(dǎo)通關(guān)斷受到柵極電壓的控制。我們從圖上觀察,發(fā)現(xiàn)N-MOSFET管的源極S和漏極D之間存在兩個(gè)背靠背的pn結(jié),當(dāng)柵極-源極電壓VGS不加電壓時(shí),不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓,總有一個(gè)pn結(jié)處于反偏狀態(tài),漏、源極間沒有導(dǎo)電溝道,器件無法導(dǎo)通。

但如果VGS正向足夠大,此時(shí)柵極G和襯底p之間的絕緣層中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),方向從柵極指向襯底,電子在該電場(chǎng)的作用下聚集在柵氧下表面,形成一個(gè)N型薄層(一般為幾個(gè)nm),連通左右兩個(gè)N+區(qū),形成導(dǎo)通溝道,如圖中黃色區(qū)域所示。當(dāng)VDS>0V時(shí),N-MOSFET管導(dǎo)通,器件工作。

了解完以PNP為例的BJT結(jié)構(gòu)和以N-MOSFET為例的MOSFET結(jié)構(gòu)之后,我們?cè)賮砜碔GBT的結(jié)構(gòu)圖↓

1564030161706618.jpg

黃色色塊表示IGBT導(dǎo)通時(shí)形成的溝道。

首先看黃色虛線部分,細(xì)看之下是不是有一絲熟悉之感?

這部分結(jié)構(gòu)和工作原理實(shí)質(zhì)上和上述的N-MOSFET是一樣的。當(dāng)VGE>0V,VCE>0V時(shí),IGBT表面同樣會(huì)形成溝道,電子從n區(qū)出發(fā)、流經(jīng)溝道區(qū)、注入n漂移區(qū),n漂移區(qū)就類似于N-MOSFET的漏極。

藍(lán)色虛線部分同理于BJT結(jié)構(gòu),流入n漂移區(qū)的電子為PNP晶體管的n區(qū)持續(xù)提供電子,這就保證了PNP晶體管的基極電流。我們給它外加正向偏壓VCE,使PNP正向?qū)?,IGBT器件正常工作。

這就是定義中為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件的原因。

此外,圖中我還標(biāo)了一個(gè)紅色部分,這部分在定義當(dāng)中沒有被提及的原因在于它實(shí)際上是個(gè)npnp的寄生晶閘管結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)對(duì)IGBT來說是個(gè)不希望存在的結(jié)構(gòu),因?yàn)榧纳чl管在一定的條件下會(huì)發(fā)生閂鎖,讓IGBT失去柵控能力,這樣IGBT將無法自行關(guān)斷,從而導(dǎo)致IGBT的損壞。具體原理在這里暫時(shí)不講,后續(xù)再為大家更新。

IGBT和BJT、MOSFET之間的因果故事

BJT出現(xiàn)在MOSFET之前,而MOSFET出現(xiàn)在IGBT之前,所以我們從中間者M(jìn)OSFET的出現(xiàn)來闡述三者的因果故事。

MOSFET的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)30年代初。德國(guó)科學(xué)家Lilienfeld于1930年提出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管概念吸引了許多該領(lǐng)域科學(xué)家的興趣,貝爾實(shí)驗(yàn)室的Bardeem和Brattain在1947年的一次場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)明嘗試中,意外發(fā)明了電接觸雙極晶體管(BJT)。

兩年后,同樣來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的Shockley用少子注入理論闡明了BJT的工作原理,并提出了可實(shí)用化的結(jié)型晶體管概念。

1960年,埃及科學(xué)家Attala及韓裔科學(xué)家Kahng在用二氧化硅改善BJT性能的過程中意外發(fā)明了MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管,此后MOSFET正式進(jìn)入功率半導(dǎo)體行業(yè),并逐漸成為其中一大主力。

1564030162172037.jpeg

發(fā)展到現(xiàn)在,MOSFET主要應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合如電腦功率電源、家用電器等,具有門極輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、電流關(guān)斷能力強(qiáng)、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

隨著下游應(yīng)用發(fā)展越來越快,MOSFET的電流能力顯然已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求。為了在保留MOSFET優(yōu)點(diǎn)的前提下降低器件的導(dǎo)通電阻,人們?cè)?jīng)嘗試通過提高M(jìn)OSFET襯底的摻雜濃度以降低導(dǎo)通電阻,但襯底摻雜的提高會(huì)降低器件的耐壓。這顯然不是理想的改進(jìn)辦法。

但是如果在MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入一個(gè)雙極型BJT結(jié)構(gòu),就不僅能夠保留MOSFET原有優(yōu)點(diǎn),還可以通過BJT結(jié)構(gòu)的少數(shù)載流子注入效應(yīng)對(duì)n漂移區(qū)的電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制,從而有效降低n漂移區(qū)的電阻率,提高器件的電流能力。

經(jīng)過后續(xù)不斷的改進(jìn),目前IGBT已經(jīng)能夠覆蓋從600V—6500V的電壓范圍,應(yīng)用涵蓋從工業(yè)電源、變頻器、新能源汽車、新能源發(fā)電到軌道交通、國(guó)家電網(wǎng)等一系列領(lǐng)域。IGBT憑借其高輸入阻抗、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)在龐大的功率器件世界中贏得了自己的一片領(lǐng)域。

總體來說,BJT、MOSFET、IGBT三者的關(guān)系就像下面這匹馬

1564030161567500.jpg

當(dāng)然

1564030162606782.jpg

更準(zhǔn)確來說,這三者雖然在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),但并非是完全替代的關(guān)系,三者在功率器件市場(chǎng)都各有所長(zhǎng),應(yīng)用領(lǐng)域也不完全重合。因此,在時(shí)間上可以將其看做祖孫三代的關(guān)系,但在技術(shù)、應(yīng)用等方面更像是并列關(guān)系。

以上就是從概念出發(fā)來理解IGBT的全部?jī)?nèi)容,個(gè)人所見,如有失偏頗,希望大家能在評(píng)論區(qū)指出來,一起進(jìn)步哇!


*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布,僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn),如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。

DIY機(jī)械鍵盤相關(guān)社區(qū):機(jī)械鍵盤DIY




關(guān)鍵詞:

相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉