为什么MOSFET和IGBT特性不同？

场效应管是上世纪50年代在贝尔实验室发明的，今天你的电脑CPU里面就是上亿个这玩意儿。IGBT是Prof. Baliga发明的大功率器件，他正指望靠IGBT拿炸药奖。这些都是半导体工业的里程碑，今天到处都在用，却没人认真细究其区别与原理。 我们都知道，场效应管包括MOSFET，JFET等通常可以用于更高频的应用场合，其特性更类似于一个电阻即导通电阻。而晶体管一类的功率半导体，如IGBT，相对频率更低，电流更大，但是存在一个导通的前向电压。为什么会出现这种情况？下面我们来分析一下。以下仅仅是我个人的理解，欢迎讨论。 ------------------------------------------- 首先回顾一下基础知识

我们知道本征半导体是不导电的，好比纯水的导电性不强，想要它导电，就掺上杂质。让水导电就给他加盐，产生离子，让半导体导电，就掺上三价或者五价元素，形成空穴或者电子。

如果把P型和N型半导体放在一起，就形成了PN结。由于P型半导体多空穴，N型多电子，天之道损有余而补不足，所以，电子会从N一侧自行扩散到P一侧，这叫做扩散作用。这时就形成一个电场，方向是N到P，它会把电子拉拽回来，这叫做漂移作用。两个之间在某种程度上达到了平衡，中间形成那一小部分带电场的区域，叫做耗尽层Depletion region。由于耗尽层中，电子都已经进了空穴，所以好比水里面的离子被固定住了，因此耗尽层不导电。

想要PN结导通，就让其正偏，抵消掉耗尽层中的电场，这样，电子又可以愉快地流动，扩散作用被成功解锁开。这部分解锁电压就是二极管的门限电压。但是由于这个结正反偏时，会有一定充电效果，可以等效成一个非线性的电容，因此带PN结的器件，是有最高工作频率的，再高它就不能阻断电压了。这很容易理解，因为电容不能阻隔交流电压。

基本知识补充完毕，我们来看看场效应管的结构。 --------------------------------------------------------- 1.下面是一个N沟道JFET的结构。

它中间原本就是有一整块N型半导体的，所以，不加任何电压时，它就是导通的。想要它关断怎么办？那我就在栅极和源级之间加上负电压，这样，这个耗尽层就会增大，我们知道耗尽层没有自由电子空穴，所以他就不再导电。好比你慢慢捏你的鼻子，捏到两边贴一起你就不能呼吸了。这就是为什么JFET是常通器件，很多固态断路器就用JFET。 2. MOSFET是怎么实现常闭的呢？这是一个简单的平面型N沟道MOSFET结构，需要注意的是，图中是水平结构的MOSFET，通常用在CMOS等小功率器件上，而功率MOSFET为了增大电压，通常采用垂直结构，也就是通常说的VDMOS。可以看出，它是不能导电的，因为被右边的PN结阻断了。要怎么导通呢？

在G和S之间加上正向电压，同时，把P型半导体的底部（即基极，base）和S极连在一起。由于G和P之间，有一层由二氧化硅构成的绝缘层，因此，在G上面加正电，对应的就会在P半导体上感应出一层电子，这层电子就构成了N型导电沟道。这里有一个trick，一般来说，这层二氧化硅（GOX）越厚，门极越不容易击穿，管子质量越好。而D极和S极也是靠电子导电，因此，整个MOSFET就导通了。我们都知道，Vgs越高，通常电阻越小，原因就在这里：Vgs越高，感应出来的电子就越多。 3. 由于MOSFET和JFET在导电时，中间没有一层PN结，所以，它们的特性就像一块电阻。而三极管类型的，它是两个反接的PN结，所以，在导通时，必须先克服一个PN结的内电场，所以，一般IGBT，BJT都会有一定的前向电压。前面分析过，由于PN结电容的存在，所以IGBT和BJT的频率一般没有场效应器件高。 4. 为什么MOSFET反接后，特性像个二极管？如图所示，就非常明确了，自然形成了一个正偏PN结，这就是体二极管。同理，当你加上正向Vgs，导电沟道形成后，即使反向导通，电流会选择走电压更低的导电沟道通路，因此反向导通时，加上Vgs可以让导通压降减小，这就是为什么LLC，移相全桥一类含有整流器的拓扑和图腾柱PFC，希望能做同步整流提高效率。

------------------------------------------ 来看看IGBT的结构

它的工作原理，可以按照上面的方法去分析。等效图可以看出，IGBT有一个三极管串联MOSFET，因此，三极管的这个PN结就带来了前向电压，结电容也带来了更大的开关损耗。但是不同于MOSFET，MOSFET导电的只是沟道部分，IGBT的导通区域更大，可传导电流更多，因此，IGBT通常用于大功率中低频率场合。另外，反向电压时，这部分电压加在了PNP上，所以，IGBT不自带体二极管，而且一般不能承受较高的反向电压，需要外面自接一个反并联二极管增强反向导通能力。

审核编辑 ：李倩