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  • 楼主
  • yilishabai
  • |  帖子(37)   |   本网技师(243)   |  发消息
  • 2018-05-29 13:21
主题:  学了多年的电路,你真了解晶体管吗?

本文为大家介绍“Si晶体管”(之所以前面加个Si,是因为还有其他的晶体管,例如SiC)。


虽然统称为“Si晶体管”,但根据制造工艺和结构,还可分为“双极”、“MOSFET”等种类。另外,还可根据处理的电流、电压和应用进行分类。


下面以“功率元器件”为主题,从众多晶体管中选取功率类元器件展开说明。其中,将以近年来控制大功率的应用中广为采用的MOSFET为主来展开。


先来看一下晶体管的分类与特征。


Si晶体管的分类


Si晶体管的分类根据不同分类角度,有几种不同的分类方法。在这里,从结构和工艺方面粗略地分类如下。其中,本篇的主题“功率类”加粗/涂色表示。


双极晶体管和MOSFET中,分功率型和小信号型,IGBT原本是为处理大功率而开发的晶体管,因此基本上仅有功率型。


顺便提一下,MOSFET为Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的缩写,是场效应晶体管 (FET) 的一种。IGBT为Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写。

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Si晶体管的特征


下面就双极晶体管、MOSFET、IGBT,汇总了相对于晶体管的主要评估项目的特征。


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对于各项目的评估是基于代表性的特性进行的,因此存在个别不吻合的内容。请理解为整体的倾向、特征。另外,这些晶体管的结构、工作原理与代表性的参数如下。




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双极晶体管(图中以NPN为例)由PN结组成,通过在基极流过电流,而在集电极-发射极间流过电流。如前面的特征汇总表中所示,关于驱动,需要根据与放大系数、集电极电流之间的关系来调整基极电流等。与MOSFET显著不同的是,用于放大或导通/关断的偏置电流会流经晶体管(基极)。


另外,MOSFET中有称为“导通电阻”的参数,尤其是处理大功率时是重要的特性。但双极晶体管中没有“导通电阻”这个参数。世界上最早的晶体管是双极晶体管,所以可能有人说表达顺序反了,不过近年来,特别是电源电路中MOSFET是主流,可能很多人都是从MOSFET用起来的,因此这里以MOSFET为主。下面言归正传。与双极晶体管的导通电阻相对应的是VCE(sat),这是集电极-发射极间的饱和电压。这是流过既定的集电极电流时,即晶体管导通时的电压降,因此可通过该值求得导通时的电阻。

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MOSFET(图中以Nch为例)通过给栅极施加电压在源极与漏极间创建通道来导通。另外,栅极通过源极及漏极与氧化膜被绝缘,因此不会流过 “导通”意义上的电流。但是,需要被称为“Qg”的电荷。


关于MOSFET,将再次详细介绍。 


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IGBT为双极晶体管与MOSFET的复合结构。是为了利用MOSFET和双极晶体管的优点而开发的晶体管。


与MOSFET同样能通过栅极电压控制进行高速工作,还同时具备双极晶体管的高耐压、低导通电阻特征。


工作上与MOSFET相同,通过给栅极施加电压形成通道来流过电流。结构上MOSFET(以Nch为例)是相同N型的源极与漏极间流过电流,而IGBT是从P型的集电极向N型的发射极流过电流,也就是与双极晶体管相同。因此,具有MOSFET的栅极相关的参数,以及双极晶体管的集电极-发射极相关的参数。


基本工作特性比较


这三种晶体管的工作特性各不相同。以下是Vce/Vds相对于基本的Ic/Id的特性。功率元器件基本上被用作开关,因此一般尽量在Vce/Vds较低的条件下使用。这是在使用的电路条件下,探讨哪种晶体管最适合时的代表特性之一。

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