貿(mào)澤科普實(shí)驗(yàn)室 | 據(jù)說這三個(gè)器件關(guān)系不一般

在現(xiàn)代電子中，三極管、MOSFET（以下簡稱MOS管）、IGBT是電子人口中的“?？汀?，但很多人可能一知半解，或只知其一不知其二，尤其是電子新手，接下來跟著我們重新認(rèn)識(shí)一下他們吧——

01、三極管VS MOSFET VS IGBT

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常能看到下面這些電路，使用了三極管、MOS管和IGBT的開關(guān)特性：

圖1：三極管、MOS管與IGBT應(yīng)用電路（圖源：自制）

我們把單片機(jī)的GPIO口分別接到三極管、MOS管或者IGBT的一個(gè)端口上，通過IO口輸出高、低電平就可以控制所接負(fù)載，比如視頻開頭的電機(jī)啟停，以及喇叭、LED燈或者水泵等設(shè)備。

既然都可以作為開關(guān)來用，是不是可以相互替換呢？當(dāng)然不行了。下面就讓我們一步步的為大家揭曉答案。

02、PN結(jié)基礎(chǔ)-萬變不離其宗

在正式解答之前，先給大家講講半導(dǎo)體與PN結(jié)，這可是三極管、MOS管和IGBT的基礎(chǔ)。

我們常說的半導(dǎo)體材料，通常是硅、鍺等，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。以硅為例，純凈的硅被稱為本征半導(dǎo)體。硅是第4族元素，一個(gè)原子外層有4個(gè)電子,每個(gè)電子都與鄰近的另一個(gè)硅原子的外層電子形成共價(jià)鍵電子對結(jié)構(gòu)，這種非常牢固。如果給純凈的硅摻入5族元素(砷、磷)，5個(gè)價(jià)電子中的4個(gè)與相鄰的硅原子組成共價(jià)鍵后，還多余一個(gè)電子；如果摻入的是3族元素（硼、鋁），3個(gè)價(jià)電子與相鄰的硅原子組成共價(jià)鍵，因缺少一個(gè)價(jià)電子，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空穴。前者摻雜的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，后者稱為P型半導(dǎo)體。

只要在半導(dǎo)體中分別摻入少量的雜質(zhì)，在電場作用下能形成帶負(fù)電的載流子-自由電子以及帶正電的載流子-空穴粒子。當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí),在它們交界處兩邊電子和空穴濃度不同，N區(qū)電子要向P區(qū)擴(kuò)散，與P區(qū)空穴復(fù)合，形成耗盡層，也就是空間電荷區(qū)，同時(shí)也是我們常說的PN結(jié)。如果給PN結(jié)加上正向電壓，當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓，載流子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)下就會(huì)形成電流，PN結(jié)就導(dǎo)通了，相反如果加上反向電壓，那么PN結(jié)就截止。

當(dāng)我們在PN結(jié)的兩端接上金屬引腳，將這塊PN結(jié)封裝起來，于是就有了我們常見常用的二極管。按照摻雜的材料成份、摻雜濃度、尺寸大小、排布方式以及幾何結(jié)構(gòu)，PN結(jié)可以制成很多種的元件，比如三極管、MOS管和IGBT。

03、兩個(gè)PN結(jié)簡單組合就是三極管？

有人說把兩個(gè)PN結(jié)簡單組合，或者直接用兩個(gè)二極管組合一下，不就成了三極管，這種想法大錯(cuò)特錯(cuò)。

當(dāng)年，美國物理學(xué)家約翰·巴丁(John Bardeen)和布拉頓（Brattai）發(fā)明世界上第一個(gè)半導(dǎo)體三極管，由此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，你就應(yīng)該知道三極管絕不是簡單！

當(dāng)然，這里為了方便大家理解，我們還是簡單化表示，三極管的結(jié)構(gòu)確實(shí)是把兩個(gè)PN結(jié)兩個(gè)背靠背，以NPN組合或PNP組合，就有了NPN型或PNP型三極管。

圖2：兩種類型三極管結(jié)構(gòu)與電路符號（圖源：自制）

大家有沒有注意到，集電區(qū)和發(fā)射區(qū)是同一類型的摻雜半導(dǎo)體，但他們的摻雜濃度是不一樣的。集電區(qū)的摻雜濃度低，面積大，這樣便于收集電子，而發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，面積小，這樣便于發(fā)射電子。

前面我們知道PN結(jié)是有導(dǎo)通（也稱為正向偏置）和截止（也稱為反向偏置）狀態(tài)，那么三極管中的2個(gè)PN結(jié)——集電結(jié)和發(fā)射結(jié)就有了以下三種狀態(tài)組合，同時(shí)對應(yīng)的是三極管的三種工作：

發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏——截止

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏——放大

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏——飽和

（tips：這個(gè)口訣是三極管的精髓，一定要記住。不管是考試還是面試，總要問一問的。）

以NPN三極管為例，若讓發(fā)射結(jié)正偏，就需要基極電壓UB大于發(fā)射極電壓UE，要給三極管的基極接電源正極，給發(fā)射極接電源負(fù)極。若讓集電結(jié)反偏，就需要集電極電壓UC大于基極電壓UB。因?yàn)榛鶚O已經(jīng)有了一個(gè)高電位，集電極需要一個(gè)更高的電位，集電結(jié)才會(huì)反偏?；鶚O和集電極加上電壓之后，由于N型和P型半導(dǎo)體中電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，就形成了基極電流IB、集電極電流IC以及發(fā)射極電流IE。

當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE為某特定值時(shí)，基極電流IB與基極發(fā)射極電壓UBE是存在一定關(guān)系的，也就是三極管的輸入特性曲線：

圖3：三極管輸入特性曲線（圖源：電工電子技術(shù)基礎(chǔ)）

UBER是三極管啟動(dòng)的臨界電壓，它會(huì)受集射極電壓大小的影響。UBE<UBER時(shí)，三極管高絕緣，UBE><UBER時(shí)，三極管才會(huì)啟動(dòng)；

UCE增大，特性曲線右移，但當(dāng)UCE>1.0V后，特性曲線幾乎不再移動(dòng)。

當(dāng)基極電流IB一定時(shí)，集極IC與集-射電壓UCE之間的關(guān)系就是輸出特性：

圖4：三極管輸出特性曲線（圖源：電工電子技術(shù)基礎(chǔ)）

當(dāng)IB=0時(shí)，IC→0，稱為三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)IB>0時(shí)，Ib輕微的變化，會(huì)在IC上以幾十甚至百多倍放大表現(xiàn)出來；

當(dāng)IB很大時(shí)，IC變得很大，不能繼續(xù)隨IB的增大而增大，三極管失去放大功能，表現(xiàn)為開關(guān)導(dǎo)通。

這個(gè)過程就是視頻中所描述的三極管與水閥的過程：初始水閥關(guān)閉，沒水流出，就相當(dāng)于三極管截止。打開閥門，水開始流出，水的大小與閥門開啟大小成一定比值。當(dāng)水閥完全打開，意味著三極管飽和。

曲線中所表示的三個(gè)區(qū)正是三極管的主要特性：飽和和截止區(qū)時(shí)，三極管具有開關(guān)特性，所以看到它可以控制電機(jī)；在放大區(qū)時(shí)，只要輕微的改變IB的大小，IC和IE就會(huì)有非常大的變化，以小電流控制大電流，四兩撥千斤，所以在模擬電路信號放大時(shí)，就能看到三極管的身影。下面這個(gè)圖就可以說明三極管的放大作用，但注意，并不是“一角”被放大成“一百”了，“一角”僅僅起著一種控制作用。

雖然三極管可以以小控大，完全導(dǎo)通后管壓降也很低，但三極管的控制功耗較大，比如一個(gè)三極管β=100，當(dāng)我們使用三極管控制100A電流時(shí)，控制信號就要1A，這么大的功耗在很多場景中是不現(xiàn)實(shí)的。所以三極管的“小老弟”出生了。

04、為什么MOSFET比三極管簡單的多？

MOSFET是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體構(gòu)成的，簡稱MOS管。

在一塊P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，用金屬鋁引出兩個(gè)電極，就是漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層膜，再在這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，就是柵極G。襯底也引出一個(gè)電極和源極相連。兩塊N型之間的導(dǎo)電通道只有在外電場作用下才形成，所以，這樣的結(jié)構(gòu)被稱為是N型增強(qiáng)型MOSFET，簡稱NMOS。如果襯底采用N型半導(dǎo)體，源極、漏極為P+型，那么就是P型增強(qiáng)型MOS管。

從上面的結(jié)構(gòu)組成看，柵極與源極、漏極以及襯底之間是絕緣的，所以MOS管也是絕緣柵型器件。

如果給源極和柵極之間加一個(gè)電壓UGS，柵極、P型襯底，再加上中間的絕緣層，就形成了一個(gè)電容器，柵極、P型襯底就是電容器的極板。柵極上會(huì)感應(yīng)出正電荷，而P型襯底則會(huì)有負(fù)電荷。隨著UGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，電容另一邊聚集大量的電子就會(huì)形成一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道。

當(dāng)UGS越大，溝道就越寬，導(dǎo)通電阻就越小，那么也代表著MOS管的導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。這時(shí)如果在漏極和源極之間加上正向電壓UDS，那么就會(huì)有電流流過導(dǎo)電通道了。所以我們說的MOS管是壓控器件，就是源于此。

根據(jù)UGS與UGS(th)的關(guān)系，可以得到流過漏極電流ID，隨著UGS變化的關(guān)系，也就是MOS管的轉(zhuǎn)移特性。但UGS<UGS(th)時(shí)，ID幾乎為0；當(dāng)UGS=UGS(th)時(shí)，通電溝道開始形成，隨著UGS的增大，ID也增大，說明ID開始受到UGS的控制了。

當(dāng)UGS(th)>UGS(th)并且保持不變時(shí)，加在漏源之間的電壓UDS的變化，也會(huì)引起漏極電流ID的變化，他們之間的關(guān)系就是輸出特性。MOS也有三個(gè)工作區(qū)：

工作區(qū)

截止區(qū)：UGS小于UGS(th)，MOS管工作在截止區(qū)

飽和區(qū)（恒流區(qū)）：當(dāng)UDS>UGS-UGS(th)時(shí)，ID幾乎不隨著UDS變化，趨于飽和了。但這時(shí)ID受UGS控制的，UGS增大，ID是增大的。

可變電阻區(qū)：這個(gè)區(qū)域ID與UDS基本上是線性關(guān)系的，溝道電阻有UGS決定。

當(dāng)然，還有擊穿區(qū)，就是當(dāng)UDS比較大時(shí)，ID急劇增加，超過一定值，MOS管就被損壞了。

從結(jié)構(gòu)上看，MOS管比三極管復(fù)雜，但是MOS管只要給柵極源極加上一定的正向電壓，就可以工作，而三極管需要足夠的電流才能工作。在開關(guān)電源中，使用的開關(guān)管幾乎全都是MOS管，也足以說明控制起來，MOS管比三極管簡單多了。

作為電壓控制元件，MOS管在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的便利，比如：

在電路中可以用作開關(guān)，控制電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，像MOS管控制電機(jī)的速度和方向

在各類放大器中，MOS可以作為功率放大器使用，把微弱的信號放大

在開關(guān)電源電路中，MOS管發(fā)揮空濾控制的作用，穩(wěn)定輸出直流電源

在電源逆變器中，使用MOS管，可以將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

雖然MOS管控制簡單，但是它在控制大電流時(shí)，管壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三極管，很難制成高壓大電流元件。所以，利用三極管就和MOS管各自的優(yōu)點(diǎn)，就有一個(gè)新器件。

05、三極管和MOS管聯(lián)姻的結(jié)晶——IGBT

從IGBT的結(jié)構(gòu)看，你別說還真是聯(lián)姻的結(jié)晶呢。

簡單的說，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的后基區(qū)PNP型晶體管，IGBT是三極管與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。

IGBT的開通與關(guān)斷，是由柵極和發(fā)射極之間的電壓UGE決定的。當(dāng)UGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOS管內(nèi)形成溝通，并且為PNP三極管提供基極電流進(jìn)而是IGBT導(dǎo)通。當(dāng)UGE為0或者加了反向電壓時(shí)，MOS管內(nèi)的溝道消失，三極管的基極電流被切斷，IGBT也就關(guān)斷了。IGBT的導(dǎo)通原理，與MOS管基本上是一樣的。但是IGBT的結(jié)構(gòu)，使得擴(kuò)展電阻要比MOS管小，所以通態(tài)壓降要小的多。

IGBT繼承了MOSFET的驅(qū)動(dòng)電流小，也繼承了三極管的通態(tài)壓降小，因此，它具有驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、工作電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。在直流電壓600V至幾千V的應(yīng)用場景中，就只能安排IGBT上了。

以上這些內(nèi)容就是對視頻中三極管、MOS管和IGBT知識(shí)的額外補(bǔ)充了。這三個(gè)器件的內(nèi)容遠(yuǎn)不止這些，每個(gè)器件都能出一本書，講一個(gè)學(xué)期。

每個(gè)器件都不是無緣無故的出現(xiàn)，都伴隨著應(yīng)用需求出現(xiàn)。無論是三極管、MOSFET，還是IGBT，都是現(xiàn)代電子中非常重要的器件，可以根據(jù)不同控制場景選擇。

結(jié)尾處，給大家總結(jié)一下三極管、MOS管和IGBT的重要特性，希望可以對大家之后的學(xué)習(xí)有所幫助。

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