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2017.06.22 Si功率元件

所謂電晶體-分類與特徵

Si電晶體

接下來要說明「Si電晶體」。Si電晶體,總而言之,與雙極性﹙bipolar﹚或MOSFET同樣依製造過程或構造來分類。此外,亦可依操作的電流或電壓、應用程式來分類。在這裡,由於主題為功率元件,因此從數量眾多的電晶體中列舉功率系。其中,也預定以近年許多大電力控制應用程式常用的MOSFET為主進入話題。

首先是基礎内容,不過我想事先確認電晶體的分類和特徴。

Si電晶體的分類

雖然是Si電晶體的分類,不過依分類的觀點我認為有幾種分類的方法。在這裡試著從構造和製程面大致分類如下。其中,作為主題的功率系會以粗字塗色顯示。

雙極性電晶體(bipolar transistor)和MOSFET有功率型和小訊號型,只不過IGBT(絶緣閘雙極電晶體)原本是為處理大電力而開發的電晶體,因此基本上只有功率型。

順便一提,MOSFET是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的簡稱,是電場效果電晶體 (FET) 的一種。而IGBT則是Insulated Gate Bipolar Transistor的簡稱。

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Si電晶體的特徴

有關雙極性電晶體、MOSFET、IGBT,這裡試著針對主要討論項目彙整出電晶體的特徵。

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對各項目之評估由於以代表性特性為基礎,因此有時不符合個案,請以整體性傾向、特徴來思考。以下為這些電晶體的構造和動作原理、代表性參數。

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雙極性電晶體(圖為NPN之例)由PN接面所構成,藉由將電流流入基極﹙base﹚,使電流在集極﹙collector﹚-射極﹙emitter﹚間流動。如表中所彙整的特徴所示,驅動方面,必須藉由與増幅率、集極電流之關係來調整基極電流等。與MOSFET的一大不同點,在於用來増幅或ON/OFF的偏壓電流會流至電晶體(基極)。

此外,MOSFET有所謂ON阻抗參數,在處理大電力時尤其是重要的特性,不過雙極性電晶體則沒有所謂ON阻抗參數。世界最初的電晶體是雙極性電晶體,雖然表達順序似乎顛倒,不過近來特別在電源電路中MOSFET已成為主流,從MOSFET開始使用的人想必也很多,因此請恕我以MOSFET為主。話說回來,雙極性電晶體的ON阻抗相當於VCE(sat),是集極-射極間的飽和電壓。由於使規定的集極電流流動時,也就是電晶體ON時之電壓會下降,故可以從此值求得ON時之阻抗。

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MOSFET(圖為Nch例)可以藉由將電壓施加於閘極﹙gate﹚在源極﹙souce﹚和汲極﹙drain﹚間的傳送進行導通。此外,閘極因源極和汲極與氧化膜而呈絕緣狀態,故不會流動有導通等意義的電流,不過需要所謂Qg的電荷。

有關MOSFET,將重新細說分明。

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IGBT為雙極性電晶體和MOSFET的複合式結構,是為了利用MOSFET和雙極性電晶體的長處所開發的電晶體,兼具與MOSFET同様以閘極電壓控制進行高速動作、雙極性電晶體的高耐壓但低ON阻抗等特徴。

IGBT的動作雖然與MOSFET相同,藉由將電壓施加於閘極形成通道﹙channel﹚使電流流動,不過MOSFET(Nch例)讓電流於相同N型的源極和汲極間流動,而IGBT則讓電流從P型的集極流向N型的射極,總之與雙極性電晶體相同構造,因此兼具了MOSFET的閘極相關參數與雙極性電晶體的集極-射極相關參數。

基本動作特性的比較

這3種電晶體的動作特性各有不同。以下是基本Ic/Id的Vce/Vds特性。功率元件基本上被用來作為開關﹙switch﹚, 因此必須盡量在Vce/Vds低的條件下使用。這是電路的利用條件,在討論哪個電晶體最適合時的代表特性之一。

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重點:

・本章選擇了雙極性、MOSFET、IGBT作為功率電晶體。

・確認雙極性電晶體、MOSFET、IGBT的基礎特徴。

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