絕緣柵場效應(yīng)晶體管

它以一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片為襯底b，在其中擴散兩個N區(qū)作為電極，分別稱為源極s和漏極d。半導(dǎo)體表面覆蓋Si_O2絕緣層，在漏源之間的絕緣層上再制造一層金屬鋁，稱為柵極g。柵極與源極、漏極之間均是絕緣的。

MOS管的襯底和源極通常是接在一起的。從圖2中可看出，當(dāng)柵源電壓uGS=0時，由于漏源之間有兩個背向的PN結(jié)，當(dāng)漏源電壓為正時，漏極與襯底之間的PN結(jié)加的是反向偏壓，漏極與源極之間不可能形成導(dǎo)電溝道，因此，漏極電流iD等于零。

當(dāng)柵極與源極之間加上一個小的正向電壓uGS時，則在SiO₂的絕緣層中，產(chǎn)生一個垂直于半導(dǎo)體表面、由柵極指向P型襯底的電場。這個電場排斥空穴而吸引電子，使靠近二氧化硅一側(cè)P型材料中的空穴被排斥，形成耗盡層。當(dāng)柵源電壓uGS增大到一定值后，則在P型材料的表面感應(yīng)出許多自由電子，形成一個N型薄層。這個在P型材料中形成的N型層，稱為“反型層”，構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道，其厚度隨著柵源電壓uGS進一步增大而增加。當(dāng)漏源之間形成導(dǎo)電溝道后，如果加上正的漏源電壓uDS，便產(chǎn)生漏極電流iD。在漏源電壓作用下，開始產(chǎn)生漏極電流iD時的柵源電壓稱為開啟電壓UT。由于這類場效應(yīng)晶體管僅當(dāng)uGS>UT后才出現(xiàn)漏極電流iD，故稱為“增強型”。

(1)開啟電壓UT：在uDS為某一固定值的條件下能產(chǎn)生iD所需要的最小|UGS|值。

(2)夾斷電壓UP：在uDS為某一固定值的條件下，使iD等于某一微小電流(便于測量)時所對應(yīng)的uGS。

(3)飽和漏極電流IDSS：在uGS=0的條件下，當(dāng)uDS>Up時的漏極電流。

(4)直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓和柵極電流的比值。

(5)低頻跨導(dǎo)gm：在uDS為某一固定值的條件下，iD的微小變化量和引起它變化的uGS的微小變化量之間的比值，即g_m的單位為S(西)或mS。

(6)極間電容：場效應(yīng)管的三個電極之間存在極間電容，即柵源電容CGS、柵漏電容CGD和漏源電容CDS。CGS、CGD的數(shù)值一般為1～3pF，CDS約為0.1～1pF。管子用于高頻電路時，要考慮這些電容的影響。

(7)最大漏極電流IDM：管子在工作時允許的最大漏極電流。最大耗散功率PDM，是決定管子溫升的主要參數(shù)。

(8)漏源擊穿電壓U(BR)DS和柵源擊穿電壓U(BR)GS：在增加漏源電壓uDS時，使iD開始劇增時的uDS稱為U(BR)DS;使柵源間PN結(jié)反向飽和電流(即柵極電流)急劇增加時的反向電壓uGS稱為U(BR)GS。

MOS場效應(yīng)管的輸入電阻極高，因此，由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏，而柵極上的SiO2絕緣層又很薄，將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強度，以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。為此，管子在存放時，應(yīng)將各極引線短接。焊接時，要將電烙鐵外殼接上可靠地線，或者在焊接時，將電烙鐵與電源暫時脫離。常在MOS管輸入端加置保護措施。保護方法很多，但原理都一樣，就是在輸入端與柵極之間設(shè)置一個串聯(lián)限流電阻和一個并聯(lián)的鉗位保護電路。圖5所示是常用的一種保護電路。當(dāng)發(fā)生過電壓時(無論是正向還是反向)，V1或V2中總有一只管子呈穩(wěn)壓狀態(tài)，電流通過R產(chǎn)生電壓降，從而限制了加在g、s間的正、負(fù)方向的電壓，起到保護管子的作用。

具有一個或多個在電氣上與溝道相互絕緣的柵極的場效應(yīng)半導(dǎo)體器件。絕緣柵場效應(yīng)晶體管是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進行工作的。由于它的柵極處于絕緣狀態(tài)，所以輸入電阻極高，可達(dá)105Ω。它和結(jié)型場效應(yīng)晶體管的不同之處在于導(dǎo)電機理和電流控制原理不同。結(jié)型場效應(yīng)晶體管利用耗盡層的寬度變化來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，達(dá)到控制漏極電流的目的。絕緣柵型場效應(yīng)晶體管則利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，達(dá)到控制電流的目的。絕緣柵場效應(yīng)晶體管中，常用二氧化硅(Si_O2)為金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層即金屬一氧化物半導(dǎo)體，簡稱MOS(meta-loxide-sem_icon_ductor)管，因此絕緣柵場效應(yīng)晶體管又稱MOSFET。它有N溝道和P溝道兩類，而每一類又分增強型和耗盡型兩種。增強型就是在uGS=0時，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道;反之，在uGS=0時，漏源之間存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。

如果在制造時，把襯底改為N型，漏極與源極為P型，則可構(gòu)成P溝道增強型或耗盡型場效應(yīng)管，其工作原理與N型溝道場效應(yīng)管相同。使用時UGG、UDD的極性應(yīng)與N溝道MOS管相反。

MOS管在使用時襯底和源極通常是接在一起的，>如果需要分開，則襯源間的電壓uBS必須保證襯源間的PN結(jié)是反向偏置，即NMOS管的UBS為負(fù)，PMOS管的UBS為正。

電路組成

使功率場效應(yīng)晶體管按信號的要求導(dǎo)通或截止的電路。用于控制電力電子電路中的功率場效應(yīng)晶體管的通斷。功率場效應(yīng)晶體管是電壓控制器件，只要柵極驅(qū)動電路提供合適的柵極電壓，即能保證元件的可靠通斷。因柵極驅(qū)動電流較小，所以驅(qū)動電路比較簡單。在工作頻率較低的應(yīng)用場合，常用集成邏輯電路或集成模擬電路等直接驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管。圖1是用集成與非門直接驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管的電路。當(dāng)與非門輸出高電平時，功率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通；當(dāng)與非門輸出低電平時，功率場效應(yīng)晶體管關(guān)斷。

功率場效應(yīng)晶體管能作為高速開關(guān)器件，但必須使用與其相適應(yīng)的高速驅(qū)動電路。在高頻應(yīng)用時，要求驅(qū)動電路的輸出電阻較小，以提高柵極輸入電容的充放電速度；另一方面，要求驅(qū)動電路的驅(qū)動功率較大。在用同一個控制電路驅(qū)動不同電位的功率場效應(yīng)晶體管的情況下，需將控制電路和功率場效應(yīng)晶體管之間用光耦合器或脈沖變壓器隔離。圖2是光耦合器隔離的柵極驅(qū)動電路。它采用互補晶體管輸出。輸出阻抗小，驅(qū)動功率大。

絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）綜合了電力晶體管（Giant Transistor—GTR）和電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）的優(yōu)點，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。多使用在工業(yè)用電機、民用小容量電機、變換器（逆變器）、照相機的頻閃觀測器、感應(yīng)加熱（InductionHeating）電飯鍋等領(lǐng)域。根據(jù)封裝的不同，IGBT大致分為兩種類型，一種是模壓樹脂密封的三端單體封裝型，從TO－3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD （FleeWheelDiode）成對地（2或6組）封裝起來的模塊型，主要應(yīng)用在工業(yè)上。模塊的類型根據(jù)用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。

IGBT是強電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進化。MOSFET由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化 IGBT驅(qū)動器的原理圖。