前言
最近经常看一些mosfet的器件结构，分析信号模型，突然要用到三极管，由于思维有点惯性了，突然不会分析了，就想着花一点时间整理一下他们的区别，顺便加入IGBT，正好也加深一下对他们的理解。
三者关系
要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之间的关系，就必须对这三者的内部结构和工作原理有大致的了解。概括的的来说，BJT是流控型器件、MOSFET是压控型器件、而IGBT≈BJT+MOSFET
BJT
双极性即意味着器件内部有空穴和电子两种载流子参与导电，BJT既然叫双极性晶体管，那其内部也必然有空穴和载流子，理解这两种载流子的运动是理解BJT工作原理的关键。
结构特点
图中e区（发射极）、b区（基极）、c区（集电极）
- 发射极掺杂 > 集电极掺杂>基区掺杂
- 基区厚度很薄一般在几微米，掺杂浓度最低
- 集电区面积最大，掺杂浓度略低于发射区
工作原理（NPN）
- 发射区：发射载流子
- 集电区：收集载流子
- 基区：传输和控制载流子
三极管的放大作用：依靠发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。
工作状态
双极性晶体管有四种工作状态：饱和区、放大区、截止区、反向放大区（不常用）
- 放大区：发射结正偏，集电结反偏。VCE>1V（硅管），iC基本平行于vCE轴的区域
- 饱和区：发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。VCE≈0.3V（硅管)，UCE<UBE，βIB>IC。
- 截止区：发射结反偏，集电结反偏。IB≈0，IC=ICEO≈0
三种组态
放大系数
极限参数
MOSFET
金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金属半场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应管。金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达1015Ω）。MOS场效应管分为N沟道和P沟道，通常将衬底（基板）与源极接在一起。
结构特点
MOSFET 的种类：
按导电沟道可分为： P 沟道和 N 沟道。
按栅极电压幅值可分为：
- 耗尽型：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，
- 增强型：对于 N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。
工作原理（nMOS）
- 电极D（Drain）：称为漏极，相当于双极性三极管的集电极。
- 电极G（Gate）：称为栅极，相当于三极管中的基极。
- 电极S（Source）：称为源极，相当于三极管中的发射极。
- VGS=0时，图a没有形成沟道，即使有VDS，ID≈0
- VGS>0时，图b栅极和衬底被SiO2绝缘形成电场排斥空穴、留下受主，形成耗尽层。但是VGS数值较小没有沟道，在VGS<Vth的时候管子一直处于截止状态。
- VGS>Vth时，图c形成导电沟道，加上VDS，产生漏极电流。
- 图a当VGS>Vth且为确定值，VDS变化会影响ID，类似于结型场效应管。此时VGD=VGS-VDS。（可变电阻区）
- 图b随着VDS增大，漏端出现预夹断，此时VGD=VGS-VDS=Vth。
- 图c再继续增大VDS，夹断点往源极移动，此时ID几乎VDS不受影响，管子进入饱和区，ID由VGS决定。（饱和区）
工作状态
MOSFET有三个工作区：可变电阻区、饱和区（放大区）、截止区、击穿区（不常用）。
- 可变电阻区（也称非饱和区）：VGS>Vth，且VDS<VGS-Vth，当栅极电压VGS一定时，Id与Vds成线性关系，表现为电阻特性，因此称为欧姆区。该区域Vds值较小，沟道电阻基本上仅受VGS控制。
- 饱和区（也称恒流区、放大区、有源区）：VGS>Vth，且VDS>(VGS-Vth)，此时处于夹断之后，当VGS一定时，漏极电流ID几乎不随漏源电压VDS变化（漏极电流Id饱和），电流主要由VGS控制。
- 截止区（也称夹断区）：VGS<Vth，管子沟道被夹断，漏极电流ID≈0，管子不工作。
MOSFET和三极管导通区别
MOSFET特性比较
三种组态
IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
结构特点（n-IGBT）
工作原理
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给厚基区PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极N 沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET 的沟道形成后，从P+基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电流。
工作状态
IGBT常用的有两种状态：导通、截止
按照等效电路图分析
- 导通：IGBT的栅极及发射极加上正电压导通，晶体管两极(集电极、基极)会形成低阻状态，
- 截止：当IGBT的两极无电压，则MOSFET就会停止导通，晶体管得不到电流供给则晶体管随之停止导通
极限参数
IGBT 的安全可靠与否主要由以下因素决定：
- IGBT 栅极与发射极之间的电压;
- IGBT 集电极与发射极之间的电压;
- 流过IGBT 集电极－发射极的电流;
- IGBT 的结温。
如果IGBT 栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作。
如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT 可能永久性损坏;
如果加在IGBT 集电极与发射极允许的电压超过集电极—发射极之间的耐压,
流过IGBT 集电极—发射极的电流超过集电极—发射极允许的最大电流,
IGBT 的结温超其结温的允许值,IGBT 都可能会永久性损坏。
三者区别
| 特性 | BJT | MOSFET | IGBT |
|---|---|---|---|
| 驱动方法 | 电流 | 电压 | 电压 |
| 驱动电路 | 复杂 | 简单 | 简单 |
| 输入阻抗 | 低 | 高 | 高 |
| 驱动功率 | 高 | 低 | 低 |
| 开关速度 | 慢（us） | 快（ns） | 中 |
| 开关频率 | 低 | 快（小于1MHz） | 中 |
| 安全工作区 | 窄 | 宽 | 宽 |
| 饱和电压 | 低 | 高 | 低 |
