MOS管、晶體管有何區別？詳解-KIA MOS管

詳解MOS管、晶體管

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。在多數情況下，這個兩個區是一樣的，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，分別是發射極接地（又稱共射放大、CE組態）、基極接地（又稱共基放大、CB組態）和集電極接地（又稱共集放大、CC組態、發射極隨耦器）。

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內被吸收，產生光生載流子，通過內部電放大機構，產生光電流增益。

光晶體管三端工作，故容易實現電控或電同步。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，發射極和基極，集電極從集電區引出，發射極從發射區引出，基極從基區引出（基區在中間）；

BJT有放大作用，重要依靠它的發射極電流能夠通過基區傳輸到達集電區而實現的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內部條件，即要求發射區雜質濃度要遠大于基區雜質濃度，同時基區厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發射結要正向偏置（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，FET只由一種載流子（多數載流子）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、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點。

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展，大規模集成電路的集成度越來越高。

以動態隨機存儲器(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)等人在實驗上發現了庫侖阻塞現象。

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，集電極和發射極。

晶體管的主要參數指標

放大系數

直流電流放大系數也稱靜態電流放大系數或直流放大倍數，是指在靜態無變化信號輸入時，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，是指晶體管參數變化不超過規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值等參數將發生明顯變化，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—發射極反向擊穿電壓、集電極—基極反向擊穿電壓和發射極—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MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導通電阻分別下 降到常規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MOSFET的1/2和1/3。由于導通損耗的降低，發熱減少，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MOSFET減小到1/3和1/4，使封裝減小兩個管殼規格。由于COOLMOS管芯厚度僅為常規MOSFET的1/3，使TO-220封裝RTHJC從常規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均優于常規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MOSFET，而具有相同管芯面積時，IAS和EAS則均大于常規 MOSFET。

COOLMOS的最大特點之一就是它具有短路安全工作區（SCSOA），而常規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。

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熱。

管芯熱阻降低可使管芯產生的熱量迅速地散發到管殼，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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