功率場效應管(power MOSFET)與IGBT基礎知識介紹

功率場效應管(power MOSFET)與IGBT基礎知識介紹

今天，功率場效應管(power MOSFET)(POWER METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR：大功率金屬氧化物半導體場效晶體管)已成為大功率組件(POWER DEVICE)的主流，在市場上居于主導地位。以計算機為首之電子裝置對輕薄短小化以及高機能化的要求帶動功率場效應管(power MOSFET)的發展，此一趨勢方興未艾，技術之進步永無止境。在龐大計算機市場支撐之下，IC 開發技術人員在「大功率組件采用單晶IC(MONOLITHIC)技術」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﹞無法達到）。大功率MOSFET的動作原理十分容易了解，適合于驅動電路及保護電路等制成IC。

大功率組件（POWER DEVICE）不可避免地會發熱，在此情況下，功率場效應管(power MOSFET)的MOS（METAL OXIDE SEMICONDUCTOR）系閘極（GATE）四周圍繞的絕緣膜（材質通常為SiO2）的質量決定其特性及可靠度。在組件技術及應用技術確立之時期，開發完成“AVALANCHE FET”并付諸生產，此種組件即使是在崩潰（AVALANCHE）之情況下也不會發生破壞。之后，大功率 MOSFET（功率場效應管(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”將業界水平一舉提高至相當高的層次。AVALANCHE FET 及COOL MOS可以說是確定MOS系大功率組件之評價的兩大支柱。

在當初，IGBT（INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR）期待只將NCH 功率場效應管(power MOSFET) 的基片（SUBSTRATE）的極性從n型變更成p型就能夠實現高耐壓、大電流組件，但是，IGBT 在本質上為雙及組件（BIPOLAR DEVICE），對于單及組件（UNIPOLAR DEVICE）功率場效應管(power MOSFET) 世代的技術人員而言較為難以了解。近年來，雙極晶體管（BIPOLAR TRANSISTOR）的基礎知識以及以往所累積的寶貴經驗重新受到重視，這是有趣的現象（本來，電子之技術革新有全盤推翻以往所有技術的趨勢）。

進入1990年代后，功率場效應管(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。隨著手提型計算器及計算機等之迅速普及，為了節省消耗功率而延長電池之使用時間，性能稍差但省電的MOS IC頓時成為時代之寵兒。同時，導入先進之IC微細加工技術之后使得大功率組件之性能大幅提高。

　

代表性的數字IC的特征

　

制造技術

數位IC

積極度﹡

能源節約

動作速度﹡﹡

低電壓化

BIPOLAR

TTL

50

1~20m

1.5~10

5

I²L

300

100μ

15

1

MOS

CMOS

200

2.5μ

5~10

3

﹡5μrule之場合

GATE/mm²

W

n秒

V

﹡﹡傳輸延遲時間