详解igbt与mosfet的区别

chenshijiao23

什么是mosfet

mos管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。mosfet的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

什么是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综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。我们常见的IGBT又分单管和模块两种，单管的外观和mosfet有点相像，常见生产厂家有富士，仙童等，模块的产品一般内部封装了数个单的igbt，内部联接成适合的电路。

igbt与mosfet在结构上的区别

igbt结构及工作原理

一、igbt结构

igbt是一个三端器件，它拥有栅极G、集电极c和发射极E。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号如图所示。

如图所示为N沟道VDMOSFFT与GTR组合的N沟道IGBT(N-IGBT)的内部结构断面示意图。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成丁一个大面积的PN结J1。由于IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，因而对漂移区电导率进行调制，可仗IGBT具有很强的通流能力。介于P+注入区与N-漂移区之间的N+层称为缓冲区。有无缓冲区决定了IGBT具有不同特性。有N*缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT，也称穿通型IGBT。它具有正向压降小、犬断时间短、关断时尾部电流小等优点，但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT，也称非穿通型IGBT。它具有较强的正反向阻断能力，但它的其他特性却不及非对称型IGBT。

如图b所示的简化等效电路表明，IGBT是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构，该结构中的部分是MOSFET驱动，另一部分是厚基区PNP型晶体管。

二、igbt工作原理

简单来说，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，它的简化等效电路如图2-42(b)所示，图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道IGBT，即P- IGBT。

IGBT的电气图形符号如图2-42(c)所示。IGBT是—种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压UGE决定，当栅射电压UCE为正且大于开启电压UCE（th）时，MOSFET内形成沟道并为PNP型晶体管提供基极电流进而使IGBT导通，此时，从P+区注入N-的空穴（少数载流子）对N-区进行电导调制，减小N-区的电阻RN，使高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅射极间不加信号或加反向电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。由此可知，IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。

①当UCE为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。

②当uCE为正时：UC< UTH，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态；UG>UTH，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。

1)导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是JGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件（有两个极性的器件）。基片的应用在管体的P、和N+区之间创建了一个J，结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道便形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，则J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整N-与N+之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET电流）；一个空穴电流（双极）。当UCE大于开启电压UCE(th），MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

2)导通压降

电导调制效应使电阻RN减小，通态压降小。所谓通态压降，是指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。

3)关断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET的电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是阂为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少于）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形。集电极电流将引起功耗升高、交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的Tc、IC：和uCE密切相关，并且与空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。当栅极和发射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

4)反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时，J，就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以这个机制十分重要。另外，如果过大地增加这个区域的尺寸，就会连续地提高压降。

5)正向阻断

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，J，结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区巾的耗尽层承受外部施加的电压。

6)闩锁

ICBT在集电极与发射极之间有—个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。具体来说，产生这种缺陷的原因各不相同，但与器件的状态有密切关系。


mosfet管结构、符号及工作原理

一、mosfet管结构、符号


二、mosfet工作原理

MOS管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

功率开关管的比较

常用的功率开关有晶闸管、IGBT、场效应管等。其中，晶闸管（可控硅）的开关频率最低约1000次/秒左右，一般不适用于高频工作的开关电路。

1、效应管的特点：

场效应管的突出优点在于其极高的开关频率，其每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在500V以上，耐温150℃（管芯），而且导通电阻，管子损耗低，是理想的开关器件，尤其适合在高频电路中作开关器件使用。

但是场效应管的工作电流较小，高的约20A低的一般在9A左右，限制了电路中的最大电流，而且由于场效应管的封装形式，使得其引脚的爬电距离（导电体到另一导电体间的表面距离）较小，在环境高压下容易被击穿，使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全。

2、igbt的特点：

igbt即双极型绝缘效应管，符号及等效电路图见图，其开关频率在20KHZ~30KHZ之间。但它可以通过大电流（100A以上），而且由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。

MOS管的主要特性

一、导通电阻的降低

INFINEON的内建横向电场的MOSFET，耐压600V和800V，与常规MOSFET器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下 降到常规MOSFET的1/5， 1/10；相同的额定电流，导通电阻分别下降到1/2和约1/3。在额定结温、额定电流条件下，导通电压分别从12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；导通损耗下降到常规MOSFET的1/2和1/3。由于导通损耗的降低，发热减少，器件相对较凉，故称COOLMOS。

二、封装的减小和热阻的降低

相同额定电流的COOLMOS的管芯较常规MOSFET减小到1/3和1/4，使封装减小两个管壳规格。由于COOLMOS管芯厚度仅为常规MOSFET的1/3，使TO-220封装RTHJC从常规1℃/W降到0.6℃/W；额定功率从125W上升到208W，使管芯散热能力提高。

三、开关特性的改善

COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优于常规MOSFET，很明显，由于QG，特别是QGD的减少，使COOLMOS的开关时间约为常 规MOSFET的1/2；开关损耗降低约50%。关断时间的下降也与COOLMOS内部低栅极电阻(＜1Ω＝有关。

四、抗雪崩击穿能力与SCSOA

目前，新型的MOSFET无一例外地具有抗雪崩击穿能力。COOLMOS同样具有抗雪崩能力。在相同额定电流 下，COOLMOS的IAS与ID25℃相同。但由于管芯面积的减小，IAS小于常规MOSFET，而具有相同管芯面积时，IAS和EAS则均大于常规 MOSFET。

COOLMOS的最大特点之一就是它具有短路安全工作区（SCSOA），而常规MOS不具备这个特性。 COOLMOS的SCSOA的获得主要是由于转移特性的变化和管芯热阻降低。COOLMOS的转移特性如图所示。从图可以看到，当VGS＞8V 时，COOLMOS的漏极电流不再增加，呈恒流状态。特别是在结温升高时，恒流值下降，在最高结温时，约为ID25℃的2倍，即正常工作电流的3-3.5倍。在短路状态下，漏极电流不会因栅极的15V驱动电压而上升到不可容忍的十几倍的ID25℃，使COOLMOS在短路时所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，尽可能地减少短路时管芯发热。管芯热阻降低可使管芯产生的热量迅速地散发到管壳，抑制了管芯温度的上升速度。因 此，COOLMOS可在正常栅极电压驱动，在0.6VDSS电源电压下承受10ΜS短路冲击，时间间隔大于1S，1000次不损坏，使COOLMOS可像IGBT一样，在短路时得到有效的保护。

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