深度解读什么是晶体管

[导读]与一般的机械开关(如继电器、开关)不同，晶体管是利用电信信号来控制其开关的，开关速度可以非常快，在实验室中可以达到100GHz以上。2016年，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队突破了物理极限，将现有最复杂的晶体管工艺从14纳米削减到1纳米，实现了计算技术的突破。

本文为大家介绍“Si晶体管”(之所以前面加个Si,是因为还有其他的晶体管，例如SiC)。

与一般的机械开关(如继电器、开关)不同，晶体管是利用电信信号来控制其开关的，开关速度可以非常快，在实验室中可以达到100GHz以上。2016年，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队突破了物理极限，将现有最复杂的晶体管工艺从14纳米削减到1纳米，实现了计算技术的突破。

虽然统称为“Si晶体管”，但根据制造工艺和结构，还可分为“双极”、“MOSFET”等种类。另外，还可根据处理的电流、电压和应用进行分类。

下面以“功率元器件”为主题，从众多晶体管中选取功率类元器件展开说明。其中，将以近年来控制大功率的应用中广为采用的MOSFET为主来展开。

先来看一下晶体管的分类与特征。

Si晶体管的分类

Si晶体管的分类根据不同分类角度，有几种不同的分类方法。在这里，从结构和工艺方面粗略地分类如下。其中，本篇的主题“功率类”加粗/涂色表示。

双极晶体管和MOSFET中，分功率型和小信号型，IGBT原本是为处理大功率而开发的晶体管，因此基本上仅有功率型。

顺便提一下，MOSFET为Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的缩写，是场效应晶体管 (FET) 的一种。IGBT为Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写。

Si晶体管的特征

下面就双极晶体管、MOSFET、IGBT，汇总了相对于晶体管的主要评估项目的特征。

对于各项目的评估是基于代表性的特性进行的，因此存在个别不吻合的内容。请理解为整体的倾向、特征。另外，这些晶体管的结构、工作原理与代表性的参数如下。

双极晶体管(图中以NPN为例)由PN结组成，通过在基极流过电流，而在集电极-发射极间流过电流。如前面的特征汇总表中所示，关于驱动，需要根据与放大系数、集电极电流之间的关系来调整基极电流等。与MOSFET显著不同的是，用于放大或导通/关断的偏置电流会流经晶体管(基极)。

另外，MOSFET中有称为“导通电阻”的参数，尤其是处理大功率时是重要的特性。但双极晶体管中没有“导通电阻”这个参数。世界上最早的晶体管是双极晶体管，所以可能有人说表达顺序反了，不过近年来，特别是电源电路中MOSFET是主流，可能很多人都是从MOSFET用起来的，因此这里以MOSFET为主。下面言归正传。与双极晶体管的导通电阻相对应的是VCE(sat)，这是集电极-发射极间的饱和电压。这是流过既定的集电极电流时，即晶体管导通时的电压降，因此可通过该值求得导通时的电阻。