本文主要是介绍一文解释好 耗尽型和增强型MOSFET、BJT、IGBT,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
文章目录
- 前言
- 一、BJT:bipolar junction transistor
- 1 三极管的工作原理和功能
- 2 **三极管共射极电路**
- 3 **PN结输入特性曲线**
- 4 **三极管的Ic-Vce 输出特性曲线,**
- 5 总结:
- 6 应用分析
- 二、 MOS: Metal Oxide Field Effect Transistor
- 1. 增强型 和 耗尽型 MOS管 区别
- 1.1 增强型 MOS管(常用的)
- 1.2 耗尽型 MOS管
- 三 BJT 和 MOS 比较
- 四、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘的栅极晶体管)
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)
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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。
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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。**
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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)
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当C电压为0,集电结正偏电压即Vbc =+0.7V,所以Ice = 0;
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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,
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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,)
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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)
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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
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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
- 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;
- 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
- BJT 的结温度升高时,电阻会降低,Ic增加,也会烧坏器件
- MOSFET 结温度升高时,电阻Rdson会增加。
- 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;
- MOSFET 输入电阻大,电流在pa打开Gate,开关速度高;
- 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)
- 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。
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