場效應管是上世紀50年代在貝爾實驗室發明的，今天你的電腦CPU里面就是上億個這玩意兒。IGBT是Prof. Baliga發明的大功率器件，他正指望靠IGBT拿炸藥獎。這些都是半導體工業的里程碑，今天到處都在用，卻沒人認真細究其區別與原理。 我們都知道，場效應管包括MOSFET，JFET等通常可以用于更高頻的應用場合，其特性更類似于一個電阻即導通電阻。而晶體管一類的功率半導體，如IGBT，相對頻率更低，電流更大，但是存在一個導通的前向電壓。為什么會出現這種情況？下面我們來分析一下。以下僅僅是我個人的理解，歡迎討論。 ------------------------------------------- 首先回顧一下基礎知識

我們知道本征半導體是不導電的，好比純水的導電性不強，想要它導電，就摻上雜質。讓水導電就給他加鹽，產生離子，讓半導體導電，就摻上三價或者五價元素，形成空穴或者電子。

如果把P型和N型半導體放在一起，就形成了PN結。由于P型半導體多空穴，N型多電子，天之道損有余而補不足，所以，電子會從N一側自行擴散到P一側，這叫做擴散作用。這時就形成一個電場，方向是N到P，它會把電子拉拽回來，這叫做漂移作用。兩個之間在某種程度上達到了平衡，中間形成那一小部分帶電場的區域，叫做耗盡層Depletion region。由于耗盡層中，電子都已經進了空穴，所以好比水里面的離子被固定住了，因此耗盡層不導電。

想要PN結導通，就讓其正偏，抵消掉耗盡層中的電場，這樣，電子又可以愉快地流動，擴散作用被成功解鎖開。這部分解鎖電壓就是二極管的門限電壓。但是由于這個結正反偏時，會有一定充電效果，可以等效成一個非線性的電容，因此帶PN結的器件，是有最高工作頻率的，再高它就不能阻斷電壓了。這很容易理解，因為電容不能阻隔交流電壓。

基本知識補充完畢，我們來看看場效應管的結構。 --------------------------------------------------------- 1.下面是一個N溝道JFET的結構。

它中間原本就是有一整塊N型半導體的，所以，不加任何電壓時，它就是導通的。想要它關斷怎么辦？那我就在柵極和源級之間加上負電壓，這樣，這個耗盡層就會增大，我們知道耗盡層沒有自由電子空穴，所以他就不再導電。好比你慢慢捏你的鼻子，捏到兩邊貼一起你就不能呼吸了。這就是為什么JFET是常通器件，很多固態斷路器就用JFET。 2. MOSFET是怎么實現常閉的呢？這是一個簡單的平面型N溝道MOSFET結構，需要注意的是，圖中是水平結構的MOSFET，通常用在CMOS等小功率器件上，而功率MOSFET為了增大電壓，通常采用垂直結構，也就是通常說的VDMOS。可以看出，它是不能導電的，因為被右邊的PN結阻斷了。要怎么導通呢？

在G和S之間加上正向電壓，同時，把P型半導體的底部（即基極，base）和S極連在一起。由于G和P之間，有一層由二氧化硅構成的絕緣層，因此，在G上面加正電，對應的就會在P半導體上感應出一層電子，這層電子就構成了N型導電溝道。這里有一個trick，一般來說，這層二氧化硅（GOX）越厚，門極越不容易擊穿，管子質量越好。而D極和S極也是靠電子導電，因此，整個MOSFET就導通了。我們都知道，Vgs越高，通常電阻越小，原因就在這里：Vgs越高，感應出來的電子就越多。 3. 由于MOSFET和JFET在導電時，中間沒有一層PN結，所以，它們的特性就像一塊電阻。而三極管類型的，它是兩個反接的PN結，所以，在導通時，必須先克服一個PN結的內電場，所以，一般IGBT，BJT都會有一定的前向電壓。前面分析過，由于PN結電容的存在，所以IGBT和BJT的頻率一般沒有場效應器件高。 4. 為什么MOSFET反接后，特性像個二極管？如圖所示，就非常明確了，自然形成了一個正偏PN結，這就是體二極管。同理，當你加上正向Vgs，導電溝道形成后，即使反向導通，電流會選擇走電壓更低的導電溝道通路，因此反向導通時，加上Vgs可以讓導通壓降減小，這就是為什么LLC，移相全橋一類含有整流器的拓撲和圖騰柱PFC，希望能做同步整流提高效率。

------------------------------------------ 來看看IGBT的結構

它的工作原理，可以按照上面的方法去分析。等效圖可以看出，IGBT有一個三極管串聯MOSFET，因此，三極管的這個PN結就帶來了前向電壓，結電容也帶來了更大的開關損耗。但是不同于MOSFET，MOSFET導電的只是溝道部分，IGBT的導通區域更大，可傳導電流更多，因此，IGBT通常用于大功率中低頻率場合。另外，反向電壓時，這部分電壓加在了PNP上，所以，IGBT不自帶體二極管，而且一般不能承受較高的反向電壓，需要外面自接一個反并聯二極管增強反向導通能力。

審核編輯 ：李倩