一文解释好 耗尽型和增强型MOSFET、BJT、IGBT

前言

一文解释清楚 耗尽型和增强型MOSFET N/PMOS结构及其工作原理和测试连接方法
、BJT（三极管）、IGBT之间的关系和应用

MOS管导通电阻在mΩ级别；
MOS管不是电压控制所以功耗低，是因为只需要加一下压，DS通道打开就一直开通；
BJT不同，需要一直有Ib电流。

一、BJT：bipolar junction transistor

MOSFET：Metal Oxide Field Effect Transistor
BJT 和 MOSFET 通常被用做 放大器和电路开关;

1 三极管的工作原理和功能

bipolar junction transistor BJT 双极型结型晶体管，
BJT功能：可以控制流过负载的电流大小，NPN型，线性放大区（集电结反偏，发电结正偏），增大Ib，可以使Ic增大；可以控制电路的开断，截至区（Vbe < 0.7V, 发射结反偏 ）饱和区（集电结正偏，Vbc > 0.7V ）
在模拟电路中 在线性区 做信号处理电流放大，饱和区和截至区 作为开关控制。

发射区： N型高掺杂，以便发射结正偏，从发射区注入基区的电子在基区形成相当高的电子浓度梯度。
基区： 掺杂P型，很薄，发射区向基区 注射的少部分电子和空穴形成基极电流，所以需要基极向基区输送正电荷和电子结合，产生电流。
集电区： 较低浓度 但面积很大的N型掺杂， 以便基区高浓度的电子扩散进集电区形成集电极电流。

2 三极管共射极电路

给三极管发射结E 加上正向偏置电压，因为PN结（发射结）的输入曲线是指数关系，即当输入电压超过二极管的门限电压后，输入电压增加很少，输入电流就会急剧增加。
三极管基区 空穴主要由基极提供，所以双极性晶体管也叫电流型控制器件。
MOSFET 是电压控制输出电流，所以称为电压型控制器件

Ie=Ib+Ic
这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系
Ib*β1=Ic
式中：β1–称为直流放大倍数

Rc 是对集电极电流起到限流作用（限制Ic大小）

3 PN结输入特性曲线

4 三极管的Ic-Vce 输出特性曲线，

截至区（cut-off-region）；线性放大区（active region）；饱和区（saturation region）

1. 当输入电压小于门限三极管的门限电压时，Vbe<0.7V, Ib <= 0， 小于基极 截至电流（Base cut-off-current），此时集电极只有很少的漏电流流过（collector cut-off current）， 三极管工作在截至状态。

2. 当输入电压高于门限三极管的门限电压时，Vbe>0.7V时，输入基极电流由(Vin-Vbe)/R1决定。在正向偏置的基极电压作用下，高掺杂发射区的电子越过发射结扩散到基区。扩散到基区的一小部分自由电子与基区的空穴复合形成基极电流，复合掉的空穴由基极电流补充。当集电结反偏时，基区内的多数电子继续扩散，进入到集电区形成集电极电流。**

3. 在基极电流一定的情况下，使集射极电压Vce从零开始慢慢增加（因为此时Vbe≈0.7V，当Vce从零开始增加，也就意味着集电结电压Vcb电压从-0.7V开始，慢慢增加到正值。即集电结从0.7V正偏慢慢变为反偏，如下图）

4. 当C电压为0，集电结正偏电压即Vbc =+0.7V，所以Ice = 0；

5. 当C电压为0-0.7V时，C端正偏电压越低，基区电子扩散到集电区越容易，从而 Ice 电流越来越大，

6. 当C电压足够大，到C端反向偏置时，B区自由电子除了在B区跟空穴复合，几乎都可以进入进入C端，（可以理解为C端电压越大，正电端越会吸引 基区即B区的自由电子，Ic电流越大，但是Vc到一定电压时，B区的自由电子被吸引完了，那么Ic电流会变成某一恒定值，）

7. 当Ib电流增加时，那么Ie电流增加，发射结电压也增加，E区扩散到B区的自由电子也增加。结合6看，可知C端电压可以增加，Ic电流也会增加。（所以要想使Ic增加，那么使Ib增加。集电结反偏时，此时三极管工作在线性放大区）

8. 正向偏置电压<0.7V时，B区的电子进入C区时受阻，但此时随着Ib电流增加， 受到集电结正偏的影响，虽然会有B区进入C区的电子增加，但是Ic电流不会增加，集电结正偏时，此时 三级管工作在饱和区，和Ib电流关系不大

9. 假如 Vce = 5V，因为Vbe = 0.7V时，此时集电结反偏，三极管应该在线性放大区，如果Ib增加，那么Ic也会增加，Vce 电压很大，Ic电流非常大，会烧毁器件。

5 总结：

当Ib从0开始增加， 三极管会由 截至区 进入线性放大区，集电结反偏，Ib足够大时，那么Vbe就很大，那么Vcb会降低到<0时，集电结正偏，三极管进入 饱和区。

6 应用分析

该电路是一个稳压管控制的串联型电压调整器，输出一个稳定的Vo=Vz-Vbe电压。集电结反偏，发电结正偏，工作在线性放大区。
当Rload 下降，Iload增加，输出电压Vo降低，Vbe增加，发射结积累的电子扩散到集电区，增大集电极电流。Ibase增加，Ic增加。（这个不懂，没有标出Vo）

二、 MOS： Metal Oxide Field Effect Transistor

优点是：控制功耗低，
缺点是：导通功耗大

PMOS： Vgs是负值，Vds是负值；（解释：PMOS是gate接负压，将N型的substrate的自由电子排斥出沟道，让沟道处于正电荷占多，使P型source的正电荷空穴流到drain端）
NMOS： Vgs是正值，Vds是正值；（解释：NMOS是gate接正压，将P型的substrate的自由电子吸引到沟道，让沟道处于负电荷占多，使N型source的负自由电子流到drain端）

用于 ABS、动力转向、LED照明、电机驱动器，过压保护，在400V以内均可以用MOS。

1. 增强型 和 耗尽型 MOS管 区别

1.1 增强型 MOS管（常用的）

SiO2中没有任何正负电子，是栅极与沟道中间隔着绝缘层（SiO2）感应电子。

使用Vgs（th）（栅极阈值电压）控制导通；

PMOS 可以用作高端驱动，导通电阻大、价格贵、替换种类少；但是NMOS也可以替代用作高端驱动，在开关电源、马达驱动电压用作NMOS管。

随着栅极偏置电压的上升，沟道变得越来越强的反转。随着栅极偏置电压的下降，沟道变的越来越弱，最后消失了。这种NMOS管的阈值电压实际上是负的。 这样的晶体管称为耗尽模式NMOS，或简单的叫做耗尽型NMOS。相反，一个有正阈值电压的的NMOS叫做增强模式NMOS，或增强型NMOS。

1.2 耗尽型 MOS管

可以用正、零、负电压控制导通

1. 耗尽层的NMOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的Na+或K+， Vgs = 0时，这些正离子产生的电场能在P型衬底中感应出足够的电子，形成N型导电沟道；当Vgs > 0时，N沟道变大，产生较大的Id（漏电流）；当Vgs < 0（阈值电压）时，削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，Id减小，关断；
2. 耗尽层的PMOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的负离子；
   阈值电压大于0

三 BJT 和 MOS 比较

双极性晶体管也叫电流型控制器件（给低电压，即流过高电流）
MOSFET 是电压控制输出电流，所以称为电压型控制器件

1. BJT 的结温度升高时，电阻会降低，Ic增加，也会烧坏器件
2. MOSFET 结温度升高时，电阻Rdson会增加。
3. BJT输入电阻小，电流在ua到ma，取决于集电结和发射结的电流，开关速度低；
4. MOSFET 输入电阻大，电流在pa打开Gate，开关速度高；
5. BJT 是一种单向电流器件，（NPN型：集电极流向发射极）（PNP型：发射极流向集电极）
6. MOSFET 是双向电流，N沟道(NMOS) 导通时，多子是自由电子，多子从sorce到drain，电流从Drain漏极到Sorce源极，所以连接时Vds 是正压；
   P沟道时，多子是空穴带正电，多子从sorce到drain，电流从Sorce源极到Drain漏极，连接时Vds是负压。

四、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘的栅极晶体管）

非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能

耐受电压 最高 6500V，电流 可达 3600A，开关频率上万次/秒，
用于高电压：电动汽车、高铁、太阳能、工业自动化都要用到逆变器（最主要产品）

电池是直流电，电动机是交流电。之间转换的最核心器件就是IGBT

结合了 MOS管低驱动电流 和 三极管 低导通电阻的优势。