贸泽科普实验室 据说这三个器件关系不一般

在现代电子中，三极管、MOSFET（以下简称MOS管）、IGBT是电子人口中的“常客”，但很多人可能一知半解，或只知其一不知其二，尤其是电子新手，接下来跟着我们重新认识一下他们吧。

1. 三极管VS MOSFET VS IGBT

在实际应用中，经常能看到下面这些电路，使用了三极管、MOS管和IGBT的开关特性：

图1：三极管、MOS管与IGBT应用电路（图源：自制）

我们把单片机的GPIO口分别接到三极管、MOS管或者IGBT的一个端口上，通过IO口输出高、低电平就可以控制所接负载，比如视频开头的电机启停，以及喇叭、LED灯或者水泵等设备。

既然都可以作为开关来用，是不是可以相互替换呢？当然不行了。下面就让我们一步步的为大家揭晓答案。

2. PN结基础-万变不离其宗

在正式解答之前，先给大家讲讲半导体与PN结，这可是三极管、MOS管和IGBT的基础。

我们常说的半导体材料，通常是硅、锗等，导电性能介于导体和绝缘体之间。以硅为例，纯净的硅被称为本征半导体。硅是第4族元素，一个原子外层有4个电子,每个电子都与邻近的另一个硅原子的外层电子形成共价键电子对结构，这种非常牢固。如果给纯净的硅掺入5族元素(砷、磷)，5个价电子中的4个与相邻的硅原子组成共价键后，还多余一个电子；如果掺入的是3族元素（硼、铝），3个价电子与相邻的硅原子组成共价键，因缺少一个价电子，就会产生一个空穴。前者掺杂的半导体称为N型半导体，后者称为P型半导体。

只要在半导体中分别掺入少量的杂质，在电场作用下能形成带负电的载流子-自由电子以及带正电的载流子-空穴粒子。当N型半导体和P型半导体结合时,在它们交界处两边电子和空穴浓度不同，N区电子要向P区扩散，与P区空穴复合，形成耗尽层，也就是空间电荷区，同时也是我们常说的PN结。如果给PN结加上正向电压，当正向电压大于死区电压，载流子在扩散运动下就会形成电流，PN结就导通了，相反如果加上反向电压，那么PN结就截止。

当我们在PN结的两端接上金属引脚，将这块PN结封装起来，于是就有了我们常见常用的二极管。按照掺杂的材料成份、掺杂浓度、尺寸大小、排布方式以及几何结构，PN结可以制成很多种的元件，比如三极管、MOS管和IGBT。

3. 两个PN结简单组合就是三极管？

有人说把两个PN结简单组合，或者直接用两个二极管组合一下，不就成了三极管，这种想法大错特错。

当年，美国物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)和布拉顿（Brattain）发明世界上第一个半导体三极管，由此获得了诺贝尔物理学奖，你就应该知道三极管绝不是简单！

当然，这里为了方便大家理解，我们还是简单化表示，三极管的结构确实是把两个PN结两个背靠背，以NPN组合或PNP组合，就有了NPN型或PNP型三极管。

图2：两种类型三极管结构与电路符号（图源：自制）

大家有没有注意到，集电区和发射区是同一类型的掺杂半导体，但他们的掺杂浓度是不一样的。集电区的掺杂浓度低，面积大，这样便于收集电子，而发射区掺杂浓度高，面积小，这样便于发射电子。

前面我们知道PN结是有导通（也称为正向偏置）和截止（也称为反向偏置）状态，那么三极管中的2个PN结——集电结和发射结就有了以下三种状态组合，同时对应的是三极管的三种工作：

. 发射结反偏，集电结反偏——截止
. 发射结正偏，集电结反偏——放大
. 发射结正偏，集电结正偏——饱和

（tips：这个口诀是三极管的精髓，一定要记住。不管是考试还是面试，总要问一问的。）

以NPN三极管为例，若让发射结正偏，就需要基极电压UB大于发射极电压UE，要给三极管的基极接电源正极，给发射极接电源负极。若让集电结反偏，就需要集电极电压UC大于基极电压UB。因为基极已经有了一个高电位，集电极需要一个更高的电位，集电结才会反偏。基极和集电极加上电压之后，由于N型和P型半导体中电子和空穴的扩散运动，就形成了基极电流IB、集电极电流IC以及发射极电流IE。

当集电极与发射极之间的电压UCE为某特定值时，基极电流IB与基极发射极电压UBE是存在一定关系的，也就是三极管的输入特性曲线：

图3：三极管输入特性曲线（图源：电工电子技术基础）

U_BER是三极管启动的临界电压，它会受集射极电压大小的影响。
U_BEBER时，三极管高绝缘，UBE> U_CE增大，特性曲线右移，但当UCE>1.0V后，特性曲线几乎不再移动。

当基极电流IB一定时，集极IC与集-射电压UCE之间的关系就是输出特性：

图4：三极管输出特性曲线（图源：电工电子技术基础）

当I_B=0时，I_C→0，称为三极管处于截止状态，相当于开关断开；
当I_B>0时，I_b轻微的变化，会在IC上以几十甚至百多倍放大表现出来；
当I_B很大时，I_C变得很大，不能继续随IB的增大而增大，三极管失去放大功能，表现为开关导通。

这个过程就是视频中所描述的三极管与水阀的过程：初始水阀关闭，没水流出，就相当于三极管截止。打开阀门，水开始流出，水的大小与阀门开启大小成一定比值。当水阀完全打开，意味着三极管饱和。

曲线中所表示的三个区正是三极管的主要特性：饱和和截止区时，三极管具有开关特性，所以看到它可以控制电机；在放大区时，只要轻微的改变IB的大小，IC和IE就会有非常大的变化，以小电流控制大电流，四两拨千斤，所以在模拟电路信号放大时，就能看到三极管的身影。下面这个图就可以说明三极管的放大作用，但注意，并不是“一角”被放大成“一百”了，“一角”仅仅起着一种控制作用。

（图源：网络）

虽然三极管可以以小控大，完全导通后管压降也很低，但三极管的控制功耗较大，比如一个三极管β=100，当我们使用三极管控制100A电流时，控制信号就要1A，这么大的功耗在很多场景中是不现实的。所以三极管的“小老弟”出生了。

4. 为什么MOSFET比三极管简单的多？

MOSFET是由金属、氧化物和半导体构成的，简称MOS管。

在一块P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，用金属铝引出两个电极，就是漏极D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层膜，再在这个绝缘层膜上装上一个铝电极，就是栅极G。衬底也引出一个电极和源极相连。两块N型之间的导电通道只有在外电场作用下才形成，所以，这样的结构被称为是N型增强型MOSFET，简称NMOS。如果衬底采用N型半导体，源极、漏极为P+型，那么就是P型增强型MOS管。

从上面的结构组成看，栅极与源极、漏极以及衬底之间是绝缘的，所以MOS管也是绝缘栅型器件。

如果给源极和栅极之间加一个电压UGS，栅极、P型衬底，再加上中间的绝缘层，就形成了一个电容器，栅极、P型衬底就是电容器的极板。栅极上会感应出正电荷，而P型衬底则会有负电荷。随着UGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，电容另一边聚集大量的电子就会形成一个从漏极到源极的N型导电沟道。

当UGS越大，沟道就越宽，导通电阻就越小，那么也代表着MOS管的导电能力就越强。这时如果在漏极和源极之间加上正向电压UDS，那么就会有电流流过导电通道了。所以我们说的MOS管是压控器件，就是源于此。

根据UGS与UGS(th)的关系，可以得到流过漏极电流ID，随着UGS变化的关系，也就是MOS管的转移特性。但UGS

图5 MOS管转移特性与输出特性曲线（图源：电工电子技术基础）

当UGS(th)>UGS(th)并且保持不变时，加在漏源之间的电压UDS的变化，也会引起漏极电流ID的变化，他们之间的关系就是输出特性。MOS也有三个工作区：

工作区

截止区：UGS小于UGS(th)，MOS管工作在截止区

饱和区（恒流区）：当UDS>UGS-UGS(th)时，ID几乎不随着UDS变化，趋于饱和了。但这时ID受UGS控制的，UGS增大，ID是增大的。

可变电阻区：这个区域ID与UDS基本上是线性关系的，沟道电阻有UGS决定。

当然，还有击穿区，就是当UDS比较大时，ID急剧增加，超过一定值，MOS管就被损坏了。

从结构上看，MOS管比三极管复杂，但是MOS管只要给栅极源极加上一定的正向电压，就可以工作，而三极管需要足够的电流才能工作。在开关电源中，使用的开关管几乎全都是MOS管，也足以说明控制起来，MOS管比三极管简单多了。

作为电压控制元件，MOS管在各个应用领域展现出了极大的便利，比如：

. 在电路中可以用作开关，控制电路的导通和关断，像MOS管控制电机的速度和方向
. 在各类放大器中，MOS可以作为功率放大器使用，把微弱的信号放大
. 在开关电源电路中，MOS管发挥空滤控制的作用，稳定输出直流电源
. 在电源逆变器中，使用MOS管，可以将直流电转换为交流电。

虽然MOS管控制简单，但是它在控制大电流时，管压降远远大于三极管，很难制成高压大电流元件。所以，利用三极管就和MOS管各自的优点，就有一个新器件。

5. 三极管和MOS管联姻的结晶——IGBT

从IGBT的结构看，你别说还真是联姻的结晶呢。

简单的说，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的后基区PNP型晶体管，IGBT是三极管与MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。

IGBT的开通与关断，是由栅极和发射极之间的电压UGE决定的。当UGE大于开启电压UGE(th)时，MOS管内形成沟通，并且为PNP三极管提供基极电流进而是IGBT导通。当UGE为0或者加了反向电压时，MOS管内的沟道消失，三极管的基极电流被切断，IGBT也就关断了。IGBT的导通原理，与MOS管基本上是一样的。但是IGBT的结构，使得扩展电阻要比MOS管小，所以通态压降要小的多。

IGBT继承了MOSFET的驱动电流小，也继承了三极管的通态压降小，因此，它具有驱动功率小、开关速度快、工作电压、电流容量大等优点。在直流电压600V至几千V的应用场景中，就只能安排IGBT上了。

以上这些内容就是对视频中三极管、MOS管和IGBT知识的额外补充了。这三个器件的内容远不止这些，每个器件都能出一本书，讲一个学期。

每个器件都不是无缘无故的出现，都伴随着应用需求出现。无论是三极管、MOSFET，还是IGBT，都是现代电子中非常重要的器件，可以根据不同控制场景选择。

结尾处，给大家总结一下三极管、MOS管和IGBT的重要特性，希望可以对大家之后的学习有所帮助。