三極管-MOSFET-IGBT的區(qū)別 所有人都知道IGBT的標準定義，但是很少有人詳細地、系統(tǒng)地從這句話抽絲剝繭，一層一層地分析為什么定義里說IGBT是由BJT和MOS組成的，它們之間有什么區(qū)別和聯(lián)系，在應用的時候，什么時候能選擇IGBT、什么時候選擇BJT、什么時候又選擇MOSFET管。這些問題其實并非很難，你跟著我看下去，就能窺見其區(qū)別及聯(lián)系。

為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件？

要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之間的關系，就必須對這三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理有大致的了解。

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。

BJT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號

如同我上篇文章（IGBT這玩意兒——從名稱入手）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動是理解BJT工作原理的關鍵。

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，因此會發(fā)生空穴的擴散，即空穴從P區(qū)擴散至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，所以電子也會發(fā)生從N區(qū)到P區(qū)的擴散運動。

這種運動最終會造成在發(fā)射結(jié)上出現(xiàn)一個從N區(qū)指向P區(qū)的電場，即內(nèi)建電場。該電場會阻止P區(qū)空穴繼續(xù)向N區(qū)擴散。倘若我們在發(fā)射結(jié)添加一個正偏電壓（p正n負），來減弱內(nèi)建電場的作用，就能使得空穴能繼續(xù)向N區(qū)擴散。

擴散至N區(qū)的空穴一部分與N區(qū)的多數(shù)載流子——電子發(fā)生復合，另一部分在集電結(jié)反偏（p負n正）的條件下通過漂移抵達集電極，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)的空穴復合之后，并不會出現(xiàn)N區(qū)電子不夠的情況，因為b電極（基極）會提供源源不斷的電子以保證上述過程能夠持續(xù)進行。這部分的理解對后面了解IGBT與BJT的關系有很大幫助。

MOSFET：

金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，簡稱場效晶體管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以N-MOSFET為例）如下圖所示。

MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號

在P型半導體襯底上制作兩個N+區(qū)，一個稱為源區(qū)，一個稱為漏區(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，它的導通關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之間存在兩個背靠背的pn結(jié)，當柵極-源極電壓VGS不加電壓時，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pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒有導電溝道，器件無法導通。

但如果VGS正向足夠大，此時柵極G和襯底p之間的絕緣層中會產(chǎn)生一個電場，方向從柵極指向襯底，電子在該電場的作用下聚集在柵氧下表面，形成一個N型薄層(一般為幾個nm)，連通左右兩個N+區(qū)，形成導通溝道，如圖中黃色區(qū)域所示。當VDS＞0V時，N-MOSFET管導通，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，我們再來看IGBT的結(jié)構(gòu)圖↓

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號

黃色色塊表示IGBT導通時形成的溝道。

首先看黃色虛線部分，細看之下是不是有一絲熟悉之感？

這部分結(jié)構(gòu)和工作原理實質(zhì)上和上述的N-MOSFET是一樣的。當VGE>0V，VCE>0V時，IGBT表面同樣會形成溝道，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)ǎ琁GBT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，圖中我還標了一個紅色部分，這部分在定義當中沒有被提及的原因在于它實際上是個npnp的寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對IGBT來說是個不希望存在的結(jié)構(gòu)，因為寄生晶閘管在一定的條件下會發(fā)生閂鎖，讓IGBT失去柵控能力，這樣IGBT將無法自行關斷，從而導致IGBT的損壞。具體原理在這里暫時不講，后續(xù)再為大家更新。

2、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MOSFET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30年代初。德國科學家Lilienfeld于1930年提出的場效應晶體管概念吸引了許多該領域科學家的興趣，貝爾實驗室的Bardeem和Brattain在1947年的一次場效應管發(fā)明嘗試中，意外發(fā)明了電接觸雙極晶體管（BJT）。

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

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

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

隨著下游應用發(fā)展越來越快，MOSFET的電流能力顯然已經(jīng)不能滿足市場需求。為了在保留MOSFET優(yōu)點的前提下降低器件的導通電阻，人們曾經(jīng)嘗試通過提高MOSFET襯底的摻雜濃度以降低導通電阻，但襯底摻雜的提高會降低器件的耐壓。這顯然不是理想的改進辦法。

但是如果在MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎上引入一個雙極型BJT結(jié)構(gòu)，就不僅能夠保留MOSFET原有優(yōu)點，還可以通過BJT結(jié)構(gòu)的少數(shù)載流子注入效應對n漂移區(qū)的電導率進行調(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，目前IGBT已經(jīng)能夠覆蓋從600V—6500V的電壓范圍，應用涵蓋從工業(yè)電源、變頻器、新能源汽車、新能源發(fā)電到軌道交通、國家電網(wǎng)等一系列領域。IGBT憑借其高輸入阻抗、驅(qū)動電路簡單、開關損耗小等優(yōu)點在龐大的功率器件世界中贏得了自己的一片領域。

總體來說，BJT、MOSFET、IGBT三者的關系就像下面這匹馬

當然更準確來說，這三者雖然在之前的基礎上進行了改進，但并非是完全替代的關系，三者在功率器件市場都各有所長，應用領域也不完全重合。因此，在時間上可以將其看做祖孫三代的關系，但在技術、應用等方面更像是并列關系。

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