Sự khác biệt giữa IGBT và MOSFET

Các bóng bán dẫn lưỡng cực là bóng bán dẫn thực sự duy nhất được sử dụng cho đến khi các MOSFET rất hiệu quả xuất hiện vào đầu những năm 1970. Các BJT đã trải qua các cải tiến quan trọng về hiệu suất điện kể từ khi thành lập vào cuối năm 1947 và vẫn được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử. Các bóng bán dẫn lưỡng cực có đặc tính tắt tương đối chậm và chúng thể hiện hệ số nhiệt độ âm có thể dẫn đến sự cố thứ cấp. Tuy nhiên, MOSFE là các thiết bị được điều khiển bằng điện áp thay vì được điều khiển bằng dòng điện. Chúng có hệ số nhiệt độ dương cho điện trở ngăn chặn sự thoát nhiệt và kết quả là sự cố thứ cấp không xảy ra. Sau đó, IGBT xuất hiện vào cuối những năm 1980. IGBT về cơ bản là sự giao thoa giữa các bóng bán dẫn lưỡng cực và MOSFET và cũng được điều khiển bằng điện áp như MOSFET. Bài viết này nhấn mạnh một số điểm chính so sánh hai thiết bị.

MOSFET là gì?

MOSFE, viết tắt của Transitor Kim loại hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại, là một loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong các mạch tích hợp quy mô rất lớn, nhờ cấu trúc tinh vi và trở kháng đầu vào cao. Đây là một thiết bị bán dẫn bốn cực, điều khiển cả tín hiệu analog và kỹ thuật số. Cổng nằm giữa nguồn và cống và được cách nhiệt bởi một lớp oxit kim loại mỏng ngăn dòng điện chạy giữa cổng và kênh. Công nghệ này hiện được sử dụng trong tất cả các loại thiết bị bán dẫn để khuếch đại tín hiệu yếu.

IGBT là gì?

IGBT, viết tắt của cụm cách điện Bipolar Transitor Cổng, là một thiết bị bán dẫn ba cực, kết hợp khả năng mang dòng điện của một bóng bán dẫn lưỡng cực với sự dễ dàng kiểm soát của MOSFET. Chúng là một thiết bị tương đối mới trong điện tử công suất thường được sử dụng làm công tắc điện tử trong một loạt các ứng dụng, từ các ứng dụng năng lượng trung bình đến cực cao như nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi (SMPS). Cấu trúc của nó gần giống với cấu trúc của MOSFET ngoại trừ phần bổ sung của chất nền p bên dưới đế n.

Sự khác biệt giữa IGBT và MOSFET

1. Cơ bản của IGBT và MOSFET

IGBT là viết tắt của Transitor lưỡng cực cổng cách điện, trong khi MOSFET là viết tắt của Transitor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại. Mặc dù, cả hai đều là thiết bị bán dẫn được điều khiển bằng điện áp, hoạt động tốt nhất trong các ứng dụng cung cấp năng lượng chuyển đổi chế độ (SMPS), IGBT kết hợp khả năng xử lý dòng điện cao của bóng bán dẫn lưỡng cực với khả năng điều khiển MOSFET dễ dàng. IGBT là những người gác cổng của dòng điện kết hợp những lợi thế của BJT và MOSFET để sử dụng trong các mạch cấp nguồn và điều khiển động cơ. MOSFET là một loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường đặc biệt trong đó điện áp ứng dụng xác định độ dẫn của thiết bị.

2. Nguyên lý làm việc của IGBT và MOSFET

IGBT về cơ bản là một thiết bị MOSFET điều khiển một bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực với cả hai bóng bán dẫn được tích hợp trên một miếng silicon, trong khi MOSFET là cổng FET cách điện phổ biến nhất, thường được chế tạo bởi quá trình oxy hóa silicon được kiểm soát. MOSFE thường hoạt động bằng cách thay đổi điện tử độ rộng của kênh bằng điện áp trên một điện cực gọi là cổng nằm giữa nguồn và cống, và được cách điện bởi một lớp oxit silic mỏng. Một MOSFET có thể hoạt động theo hai cách: Chế độ cạn kiệt và chế độ Nâng cao.

3. Trở kháng đầu vào của IGBT và MOSFET

IGBT là một thiết bị lưỡng cực được điều khiển bằng điện áp với trở kháng đầu vào cao và khả năng xử lý dòng điện lớn của một bóng bán dẫn lưỡng cực. Chúng có thể dễ dàng điều khiển so với các thiết bị được điều khiển hiện tại trong các ứng dụng hiện tại cao. Các MOSFE yêu cầu hầu như không có dòng điện đầu vào để kiểm soát dòng tải làm cho chúng có điện trở cao hơn ở đầu cực cổng, nhờ vào lớp cách ly giữa cổng và kênh. Lớp được làm bằng oxit silic là một trong những chất cách điện tốt nhất được sử dụng. Nó ngăn chặn hiệu quả điện áp ứng dụng ngoại trừ dòng rò nhỏ.

4. Kháng thiệt hại

Các MOSFE dễ bị phóng tĩnh điện (ESD) hơn vì trở kháng đầu vào cao của công nghệ MOS trong MOSFET sẽ không cho phép điện tích tiêu tan theo kiểu được kiểm soát nhiều hơn. Chất cách điện silicon oxit bổ sung làm giảm điện dung của cổng khiến nó dễ bị tổn thương trước các xung điện áp rất cao chắc chắn làm hỏng các bộ phận bên trong. MOSFE rất nhạy cảm với các ESD. Các IGBT thế hệ thứ ba kết hợp các đặc tính ổ điện áp của MOSFET với khả năng kháng thấp của bóng bán dẫn lưỡng cực, do đó làm cho chúng cực kỳ chịu được quá tải và tăng vọt điện áp.

5. Các ứng dụng của IGBT và MOSFET

Các thiết bị MOSFE được sử dụng rộng rãi để chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu điện tử trong các thiết bị điện tử, điển hình cho các ứng dụng có độ ồn cao. Ứng dụng nhiều nhất của MOSFET là trong các bộ nguồn ở chế độ chuyển đổi, ngoài ra chúng có thể được sử dụng trong các bộ khuếch đại lớp D. Chúng là bóng bán dẫn hiệu ứng trường phổ biến nhất và có thể được sử dụng trong cả mạch tương tự và kỹ thuật số. Mặt khác, IGBT được sử dụng trong các ứng dụng công suất trung bình đến cực cao như cấp nguồn cho chế độ chuyển đổi, sưởi ấm cảm ứng và điều khiển động cơ kéo. Nó được sử dụng như một thành phần quan trọng trong các thiết bị hiện đại như ô tô điện, chấn lưu đèn và VFD (ổ đĩa biến tần).

IGBT so với MOSFET: Biểu đồ so sánh

Tóm tắt về IGBT Vs. MOSFE

Mặc dù cả IGBT và MOSFET đều là các thiết bị bán dẫn được điều khiển bằng điện áp, chủ yếu được sử dụng để khuếch đại tín hiệu yếu, các IGBT kết hợp khả năng kháng thấp của bóng bán dẫn lưỡng cực với các đặc tính truyền động điện áp của MOSFET. Với sự phổ biến của các lựa chọn giữa hai thiết bị, ngày càng khó để chọn thiết bị tốt nhất chỉ dựa trên các ứng dụng của chúng. MOSFET là một thiết bị bán dẫn bốn cực, trong khi IGBT là một thiết bị ba cực, là sự giao thoa giữa bóng bán dẫn lưỡng cực và MOSFET làm cho chúng cực kỳ chịu được phóng tĩnh điện và quá tải.