什么是MOS管
mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個兩個區(qū)是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
什么是晶體管
嚴格意義上講,晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件,包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管、可控硅等。晶體管有時多指晶體三極管。
晶體管主要分為兩大類:雙極性晶體管(BJT)和場效應晶體管(FET)。
晶體管有三個極;雙極性晶體管的三個極,分別由N型跟P型組成發(fā)射極(Emitter)、基極(Base) 和集電極(Collector);場效應晶體管的三個極,分別是源極(Source)、柵極(Gate)和漏極(Drain)。
晶體管因為有三種極性,所以也有三種的使用方式,分別是發(fā)射極接地(又稱共射放大、CE組態(tài))、基極接地(又稱共基放大、CB組態(tài))和集電極接地(又稱共集放大、CC組態(tài)、發(fā)射極隨耦器)。
晶體管分類
材料
按晶體管使用的半導體材料可分為硅材料晶體管和鍺材料晶體管。按晶體管的極性可分為鍺NPN型晶體管、鍺PNP晶體管、硅NPN型晶體管和硅PNP型晶體管。
工藝
晶體管按其結構及制造工藝可分為擴散型晶體管、合金型晶體管和平面型晶體管。
電流容量
晶體管按電流容量可分為小功率晶體管、中功率晶體管和大功率晶體管。
工作頻率
晶體管按工作頻率可分為低頻晶體管、高頻晶體管和超高頻晶體管等。
封裝結構
晶體管按封裝結構可分為金屬封裝(簡稱金封)晶體管、塑料封裝(簡稱塑封)晶體管、玻璃殼封裝(簡稱玻封)晶體管、表面封裝(片狀)晶體管和陶瓷封裝晶體管等。其封裝外形多種多樣。
按功能和用途
晶體管按功能和用途可分為低噪聲放大晶體管、中高頻放大晶體管、低頻放大晶體管、開關晶體管、達林頓晶體管、高反壓晶體管、帶阻晶體管、帶阻尼晶體管、微波晶體管、光敏晶體管和磁敏晶體管等多種類型。
晶體管種類分析
半導體三極管
是內部含有兩個PN結,外部通常為三個引出電極的半導體器件。它對電信號有放大和開關等作用,應用十分廣泛。輸入級和輸出級都采用晶體管的邏輯電路,叫做晶體管-晶體管邏輯電路,書刊和實用中都簡稱為TTL電路,它屬于半導體集成電路的一種,其中用得最普遍的是TTL與非門。TTL與非門是將若干個晶體管和電阻元件組成的電路系統(tǒng)集中制造在一塊很小的硅片上,封裝成一個獨立的元件。半導體三極管是電路中應用最廣泛的器件之一,在電路中用“V”或“VT”(舊文字符號為“Q”、“GB”等)表示。
電力晶體管
電力晶體管按英文Giant Transistor直譯為巨型晶體管,是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT),所以有時也稱為Power BJT;其特性有:耐壓高,電流大,開關特性好,但驅動電路復雜,驅動功率大;GTR和普通雙極結型晶體管的工作原理是一樣的。
光晶體管
光晶體管(phototransistor)由雙極型晶體管或場效應晶體管等三端器件構成的光電器件。光在這類器件的有源區(qū)內被吸收,產(chǎn)生光生載流子,通過內部電放大機構,產(chǎn)生光電流增益。光晶體管三端工作,故容易實現(xiàn)電控或電同步。光晶體管所用材料通常是砷化鎵(GaAs),主要分為雙極型光晶體管、場效應光晶體管及其相關器件。雙極型光晶體管通常增益很高,但速度不太快,對于GaAs-GaAlAs,放大系數(shù)可大于1000,響應時間大于納秒,常用于光探測器,也可用于光放大。場效應光晶體管響應速度快(約為50皮秒),但缺點是光敏面積小,增益小(放大系數(shù)可大于10),常用作極高速光探測器。與此相關還有許多其他平面型光電器件,其特點均是速度快(響應時間幾十皮秒)、適于集成。這類器件可望在光電集成中得到應用。
雙極晶體管
雙極晶體管(bipolar transistor)指在音頻電路中使用得非常普遍的一種晶體管。雙極則源于電流系在兩種半導體材料中流過的關系。雙極晶體管根據(jù)工作電壓的極性而可分為NPN型或PNP型。
雙極結型
“雙極”的含義是指其工作時電子和空穴這兩種載流子都同時參與運動。雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)又稱為半導體三極管,它是通過一定的工藝將兩個PN結結合在一起的器件,有PNP和NPN兩種組合結構;外部引出三個極:集電極,發(fā)射極和基極,集電極從集電區(qū)引出,發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出,基極從基區(qū)引出(基區(qū)在中間);
BJT有放大作用,重要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_集電區(qū)而實現(xiàn)的,為了保證這一傳輸過程,一方面要滿足內部條件,即要求發(fā)射區(qū)雜質濃度要遠大于基區(qū)雜質濃度,同時基區(qū)厚度要很小,另一方面要滿足外部條件,即發(fā)射結要正向偏置(加正向電壓)、集電結要反偏置;BJT種類很多,按照頻率分,有高頻管,低頻管,按照功率分,有小、中、大功率管,按照半導體材料分,有硅管和鍺管等;其構成的放大電路形式有:共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。
場效應晶體管
“場效應”的含義是這種晶體管的工作原理是基于半導體的電場效應的。
場效應晶體管(field effect transistor)利用場效應原理工作的晶體管,英文簡稱FET。場效應晶體管又包含兩種主要類型:結型場效應管(Junction FET,縮寫為JFET)和金屬-氧化物半導體場效應管(Metal-Oxide Semiconductor FET,縮寫為MOS-FET)。與BJT不同的是,F(xiàn)ET只由一種載流子(多數(shù)載流子)參與導電,因此也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件,具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域寬等優(yōu)點。
靜電感應
靜電感應晶體管SIT(Static Induction Transistor)誕生于1970年,實際上是一種結型場效應晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向導電結構改為垂直導電結構,即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導電的器MOSFET相當,甚至超過電力MOSFET,而功率容量也比電力MOSFET大,因而適用于高頻大功率場合,目前已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等某些專業(yè)領域獲得了較多的應用。
單電子晶體管
用一個或者少量電子就能記錄信號的晶體管。隨著半導體刻蝕技術和工藝的發(fā)展,大規(guī)模集成電路的集成度越來越高。以動態(tài)隨機存儲器(DRAM)為例,它的集成度差不多以每兩年增加四倍的速度發(fā)展,預計單電子晶體管將是最終的目標。目前一般的存儲器每個存儲元包含了20萬個電子,而單電子晶體管每個存儲元只包含了一個或少量電子,因此它將大大降低功耗,提高集成電路的集成度。1989年斯各特(J.H. F.Scott-Thomas)等人在實驗上發(fā)現(xiàn)了庫侖阻塞現(xiàn)象。
IGBT
絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場效應晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點,具有良好的特性,應用領域很廣泛;IGBT也是三端器件:柵極,集電極和發(fā)射極。
晶體管的主要參數(shù)指標
放大系數(shù)
直流電流放大系數(shù)也稱靜態(tài)電流放大系數(shù)或直流放大倍數(shù),是指在靜態(tài)無變化信號輸入時,晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值,一般用hFE或β表示。
耗散功率
耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM,是指晶體管參數(shù)變化不超過規(guī)定允許值時的最大集電極耗散功率。
特征頻率fT 晶體管的工作頻率超過截止頻率fβ或fα時,其電流放大系數(shù)β值將隨著頻率的升高而下降。特征頻率是指β值降為1時晶體管的工作頻率。
最高頻率fM
最高振蕩頻率是指晶體管的功率增益降為1時所對應的頻率。
最大電流
集電極最大電流(ICM)是指晶體管集電極所允許通過的最大電流。當晶體管的集電極電流IC超過ICM時,晶體管的β值等參數(shù)將發(fā)生明顯變化,影響其正常工作,甚至還會損壞。
最大反向電壓
最大反向電壓是指晶體管在工作時所允許施加的最高工作電壓。它包括集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓、集電極—基極反向擊穿電壓和發(fā)射極—基極反向擊穿電壓。
MOS管的主要特性
導通電阻的降低
INFINEON的內建橫向電場的MOSFET,耐壓600V和800V,與常規(guī)MOSFET器件相比,相同的管芯面積,導通電阻分別下 降到常規(guī)MOSFET的1/5, 1/10;相同的額定電流,導通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結溫、額定電流條件下,導通電壓分別從12.6V,19.1V下降到 6.07V,7.5V;導通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導通損耗的降低,發(fā)熱減少,器件相對較涼,故稱COOLMOS。
封裝的減小和熱阻的降低
相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規(guī)MOSFET減小到1/3和1/4,使封裝減小兩個管殼規(guī)格。由于COOLMOS管芯厚度僅為常規(guī)MOSFET的1/3,使TO-220封裝RTHJC從常規(guī)1℃/W降到0.6℃/W;額定功率從125W上升到208W,使管芯散熱能力提高。
開關特性的改善
COOLMOS的柵極電荷與開關參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET,很明顯,由于QG,特別是QGD的減少,使COOLMOS的開關時間約為常 規(guī)MOSFET的1/2;開關損耗降低約50%。關斷時間的下降也與COOLMOS內部低柵極電阻(<1Ω=有關。
抗雪崩擊穿能力與SCSOA
目前,新型的MOSFET無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流 下,COOLMOS的IAS與ID25℃相同。但由于管芯面積的減小,IAS小于常規(guī)MOSFET,而具有相同管芯面積時,IAS和EAS則均大于常規(guī) MOSFET。
COOLMOS的最大特點之一就是它具有短路安全工作區(qū)(SCSOA),而常規(guī)MOS不具備這個特性。
COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉移特性如圖所示。從圖可以看到,當VGS>8V 時,COOLMOS的漏極電流不再增加,呈恒流狀態(tài)。特別是在結溫升高時,恒流值下降,在最高結溫時,約為ID25℃的2倍,即正常工作電流的3-3.5 倍。在短路狀態(tài)下,漏極電流不會因柵極的15V驅動電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25℃,使COOLMOS在短路時所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃,盡可能地減少短路時管芯發(fā)熱。
管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼,抑制了管芯溫度的上升速度。因 此,COOLMOS可在正常柵極電壓驅動,在0.6VDSS電源電壓下承受10ΜS短路沖擊,時間間隔大于1S,1000次不損壞,使COOLMOS可像 IGBT一樣,在短路時得到有效的保護。
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