POWER MOSFET與IGBT之基礎(chǔ)知識(shí)
| POWER MOSFET(POWER METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR：大功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管)已成為大功率組件(POWER DEVICE)的主流，在市場上居于主導(dǎo)地位。以計(jì)算機(jī)為首之電子裝置對(duì)輕薄短小化以及高機(jī)能化的要求帶動(dòng)POWER MOSFET的發(fā)展，此一趨勢(shì)方興未艾，技術(shù)之進(jìn)步永無止境。在龐大計(jì)算機(jī)市場支撐之下，IC 開發(fā)技術(shù)人員在「大功率組件采用單晶IC(MONOLITHIC)技術(shù)」方面促成了MOS系大功率組件的突破。尤其是低耐壓大功率 MOSFET，隨者其母體“MOS IC”之集積度的提高而性能大增（雙極晶體管﹝BIPOLAR TRANSISTOR﹞無法達(dá)到）。大功率MOSFET的動(dòng)作原理十分容易了解，適合于驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路等制成IC。 大功率組件（POWER DEVICE）不可避免地會(huì)發(fā)熱，在此情況下，POWER MOSFET的MOS（METAL OXIDE SEMICONDUCTOR）系閘極（GATE）四周圍繞的絕緣膜（材質(zhì)通常為SiO2）的品質(zhì)決定其特性及可靠度。在組件技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)確立之時(shí)期，開發(fā)完成“AVALANCHE FET”并付諸生產(chǎn)，此種組件即使是在崩潰（AVALANCHE）之情況下也不會(huì)發(fā)生破壞。之后，大功率 MOSFET（POWER MOSFET）剩下的未解決課題是高耐壓化，1998年在市場嶄露頭角的“COOL MOS”將業(yè)界水準(zhǔn)一舉提高至相當(dāng)高的層次。AVALANCHE FET 及COOL MOS可以說是確定MOS系大功率組件之評(píng)價(jià)的兩大支柱。 在當(dāng)初，IGBT（INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR）期待只將NCH POWER MOSFET 的基片（SUBSTRATE）的極性從n型變更成p型就能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓、大電流組件，但是，IGBT 在本質(zhì)上為雙及組件（BIPOLAR DEVICE），對(duì)于單及組件（UNIPOLAR DEVICE）POWER MOSFET 世代的技術(shù)人員而言較為難以了解。近年來，雙極晶體管（BIPOLAR TRANSISTOR）的基礎(chǔ)知識(shí)以及以往所累積的寶貴經(jīng)驗(yàn)重新受到重視，這是有趣的現(xiàn)象（本來，電子之技術(shù)革新有全盤推翻以往所有技術(shù)的趨勢(shì)）。 進(jìn)入1990年代后，POWER MOSFET及IGBT等MOS系組件取雙極系組件（SCR〔閘流體〕、BJT〔雙極接合型晶體管〕）之地位而代之，如今已成為大功率組件（POWER DEVICE）之主流，其主要原因是，MOS系集成電路如今已成為IC 的主流了。隨著手提型計(jì)算器及計(jì)算機(jī)等之迅速普及，為了節(jié)省消耗功率而延長電池之使用時(shí)間，性能稍差但省電的MOS IC頓時(shí)成為時(shí)代之寵兒。同時(shí)，導(dǎo)入先進(jìn)之IC微細(xì)加工技術(shù)之后使得大功率組件之性能大幅提高。 代表性之?dāng)?shù)字IC的特征 制造技術(shù)數(shù)位IC積極度﹡能源節(jié)約動(dòng)作速度﹡﹡低電壓化 BIPOLARTTL501~20m1.5~105 I²L300100μ151 MOSCMOS2002.5μ5~103 ﹡5μrule之場合GATE/mm²Wn秒V ﹡﹡傳輸延遲時(shí)間 ● POWER MOSFET之特征 第一個(gè)進(jìn)入市場的MOS系大功率組件是POWER MOSFET，當(dāng)初之高耐壓MOSFET的功率損失（POWER LOSS）很大，而且，驅(qū)動(dòng)方法與以往不同，因而為電路設(shè)計(jì)老手所排斥。不過，其高頻特性十分優(yōu)秀，不易破壞在低電源電壓下動(dòng)作時(shí)之功率損失（POWER LOSS）遠(yuǎn)低于以往之組件，因此，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用技術(shù)逐漸普及，以緩慢而穩(wěn)定的速度擴(kuò)展市場。尤其是隨著使用電池電源之便攜式電子機(jī)器的迅速發(fā)展，POWER MOSFET扮演著十分重要的角色。 POWER MOSFET的弱點(diǎn)是高耐壓化后之功率損失激增。使用市電AC電源之電子裝置所使用的POWER MOSFET的耐壓必須高達(dá)500~1000V左右，在此高壓領(lǐng)域內(nèi)，在動(dòng)作原理上，其功率損失較雙極（BIPOLAR）系大功率組件為大。如果將組件之芯片尺寸（CHIP SIZE）加大時(shí)能夠降低功率損失，但是會(huì)增加成本（在比較組件之電氣性能及價(jià)格時(shí)以相同大小之芯片的條件作比較）。 ● IGBT之特征 和POWER MOSFET的比較，IGBT（INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR）在耐壓600V以上之領(lǐng)域的功率損失相當(dāng)?shù)汀?a >IGBT的輸出部分屬于雙極組件，具有以往之雙極晶體管（BJT：BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR）的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，雖然可以藉IC之設(shè)計(jì)技術(shù)提高BJT之性能，但是，無法根本解決BJT的電荷存儲(chǔ)時(shí)件（STORAGE TIME）問題（BJT在OFF時(shí)需耗費(fèi)較長時(shí)間），因此，在需要作高速開關(guān)動(dòng)作（HIGH SPEED SWITCHING）之領(lǐng)域較不適合使用IGBT，但是，在使用AC市電驅(qū)動(dòng)之場合（例如驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等之場合），在高電壓大功率之應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)使用IGBT的效率遠(yuǎn)較POWER MOSFET為高。 分立型半導(dǎo)體組件（DISCRETE SEMICONDUCTOR）將來生存之必需條件是必須能夠以和制作IC相同的設(shè)備來制造（IC之生產(chǎn)量為大功率組件的10倍以上），而POWER MOSFET以及IGBT均具備此條件。 MOS系大功率組件之分類 大功率組件（POWER DEVICE）可依以下數(shù)點(diǎn)加以分類：1動(dòng)作原理、2使用目的、3組件材料之種類、4截面形狀、5組件基片材料（SUBSTRATE MATERIAL）之極性以及外加電極性、6容許消耗功率及外殼封裝。 此外對(duì)于POWER MOSFET加以細(xì)分追加以下數(shù)項(xiàng)分類：7表面形狀、8偏壓（BIAS）之方法、9閘極（GATE）構(gòu)造、10組件內(nèi)部之電流流動(dòng)方式。 依動(dòng)作原理而分類 傳輸電流之媒體有兩種，一種是以一種載子（CARRIER）傳輸電流的媒體，稱為單極組件（UNIPOLAR ELEMENT）；另外一種是以二種載子傳輸電流的媒體，稱為雙極組件（BIPOLAR ELEMENT）。前者之具體實(shí)例為FET（FIELD EFFECT TRANSISTOR），后者則有BJT（BI JUNCTION TRANSISTOR）及SCR（SILICON CONTROLLED RECTIFIER）等。如圖所示為這些大功率組件的構(gòu)造簡圖。這些組件均有3個(gè)端子，在組件內(nèi)部有2~3個(gè)PN接合存在。FET和BJT內(nèi)部的PN接合十分相似（不過，F(xiàn)ET為縱向接合，BJT則為橫向接合），不過，兩者之動(dòng)作原理完全不同，F(xiàn)ET自始就只有一個(gè)通道（CHANNEL）存在，換句話說，泄極（DRANIN）和源極（SOURCE）間處于導(dǎo)通狀態(tài)。反之BJT之場合，在射極（EMITTER）和集極（COLLECTOR）之間至少有一個(gè)逆方向PN接合二極管存在，此逆向二極管將電流予以阻絕。SCR由二個(gè)BJT構(gòu)成，SCR顧名思意為整流器，電流僅從陽極往陰極方向作單向流通。如果利用SCR來直接控制正負(fù)變化之交流時(shí)，所能控制之范圍為0~50％。將兩個(gè)SCR作反向并聯(lián)連接以擴(kuò)大控制范圍，這就是“TRIAC”電流能夠雙方向流通（如圖示）。 POWER MOSFET與IGBT之關(guān)系 IGBT（INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR）乃是MOSFET與BJT的復(fù)合組件。MOSFET與SCR之復(fù)合組件稱為MCT（MOS CONTROLLED THYRISTOR），如表所示為各種大功率組件的動(dòng)作速度與電流密度的比較。和單極組件POWER MOSFET比較，雙極組件IGBT及MCT能夠藉傳導(dǎo)度調(diào)變提高電流密度。但是，提高電流密度之后難以令其OFF（TURN OFF），于是，電流密度較IGBT為高的MCT的OFF速度更慢。不過，雙極組件的ON速度和MOSFET并無太大差異。 |
