MOSFET/IGBT

MOSFETs (met-Öxid-SHalbleiter FFeld-Ebeeinflussen TTransistor) und IGBTs (ichisoliert-gBipolar Transistor) sind Leistungstransistoren, die zur Steuerung des Ausgangs vieler Servoantriebe verwendet werden. Beide Leistungstransistoren sind Leistungshalbleiter mit drei Anschlüssen, die zum Schalten und Verstärken elektronischer Signale verwendet werden.

MOSFET

Der MOSFET ist ein Feldeffekttransistor, der aus drei Komponenten besteht: Source, Drain und Gate. Der MOSFET arbeitet, indem er die Breite eines Kanals zwischen den Source- und Drain-Knoten variiert, entlang denen Ladungsträger fließen. Die Spannung, die über das Gate angelegt wird, steuert die Größe des Kanals, der den Stromfluss in den Drain bestimmt. MOSFETs haben nur 2 Schichten aus P- und N-Typ-Substrat, was ihre Spannungskapazität im Vergleich zu IGBTs verringert, ihnen aber ermöglicht, schnellere Schaltgeschwindigkeiten zu handhaben. Neuere MOSFETs sind in der Lage, viel höhere Spannungen zu handhaben, was jedoch mit einer erhöhten Größe und höheren Kosten einhergeht. MOSFETs werden aufgrund ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeiten häufig in der Automobilelektronik und Robotik verwendet. MOSFETs können je nach Spannung und Schaltbedingungen auch für viele industrielle Anwendungen eingesetzt werden.

IGBT

Der IGBT ist ein bipolarer Transistor, der ebenfalls aus drei Komponenten besteht: einem Emitter, einem Kollektor und einem Gate. IGBTs haben die Eingangskapazitäten für hohe Ströme und niedrige Sättigungsspannungen von Bipolartransistoren mit den Ausgangseigenschaften von MOSFETs. Im Gegensatz zu MOSFETs sind IGBTs stromgesteuert und erzeugen ein Magnetfeld anstelle eines elektrischen Felds und einen Minoritätsträger-dominanten Strom. IGBTs haben mehrere Schichten aus P- und N-Substrat, was ihnen im Vergleich zu MOSFETs den Vorteil verschafft, dass sie mit hohen Spannungen umgehen können. Diese zusätzlichen Schichten haben den Nachteil niedrigerer Schaltgeschwindigkeiten, Innovationen in der IGBT-Technologie haben es diesen Transistoren jedoch ermöglicht, Schaltgeschwindigkeiten zu haben, die mit denen von MOSFETs vergleichbar sind. IGBTs werden in vielen Industrie- und Automobilanwendungen eingesetzt und werden in der Regel für Haushaltsgeräte wie Klimaanlagen und Kühlschränke bevorzugt. Wie bei MOSFETs hängen die spezifischen Anwendungen von IGBTs von Spannung und Schaltbedingungen ab.

Vergleich von MOSFET und IGBT

MOSFET IGBT
Konstruktionsähnlichkeiten Besteht aus P- und N-Typ-Substraten, um den Stromfluss zu ermöglichen und zu steuern
Konstruktionsunterschiede Zwei Schichten aus P- und N-Typ-Substrat unterstützen eine hohe Schaltfrequenz und enthalten eine Body-Drain-Diode Mehrere Schichten aus P- und N-Substrat verleihen dem IGBT eine hohe Leitfähigkeit und haben keine Body-Drain-Diode
Kontrolle Spannungsbetriebene Mehrheitsträgergeräte erzeugen ein elektrisches Feld Stromgesteuerte Minoritätsträgervorrichtungen erzeugen ein Magnetfeld
Verwendet Kann in digitalen und analogen Antrieben verwendet werden, beide werden in handelsüblichen und kundenspezifischen Servoantrieben verwendet. Ihre geringen Abmessungen haben zur Möglichkeit kleinerer Servoantriebe wie der µZ-Serie geführt
Schnittstellenähnlichkeiten Transistoren mit drei Anschlüssen, die aus einer relativ einfachen Gate-Treiberschaltung bestehen
Schnittstellenunterschiede Quelle, Abfluss, Tor Emitter, Kollektor, Tor
Betriebsspannung Typisch <250V Geeignet für >1000 V
Schaltfrequenz Hohe +100kHz Niedrig ~20kHz

Geschichte

Vor der Einführung von MOSFETs in den 1960er Jahren waren Bipolartransistoren die einzigen echten Leistungstransistoren auf dem Markt. Tatsächlich beschrieb Julius Lilienfeld 1926, Jahre bevor sogar der Bipolartransistor eingeführt wurde, ein Gerät, das einem Feldeffekttransistor sehr ähnlich war, aber es wurde nie hergestellt, weil es für die wichtigste Innovation der Zeit, das Telefon, nicht notwendig war. Bipolartransistoren sind stromgesteuert, benötigen zum Einschalten einen hohen Basisstrom und sind für ein hohes Maß an thermischem Durchgehen verantwortlich. MOSFETs bieten die gleichen Fähigkeiten wie Bipolartransistoren, werden jedoch durch die Spannung am Gate-Anschluss und nicht durch den Strom gesteuert, wodurch sie viel weniger Strom zum Einschalten verbrauchen. MOSFETs konnten viel kleiner als Bipolartransistoren hergestellt werden, haben eine schnellere Schaltgeschwindigkeit, ermöglichen eine viel höhere Dichte und minimieren das thermische Durchgehen. Die geringe Größe von MOSFET-Leistungstransistoren ermöglichte die Entwicklung von integrierten Schaltungen mit hoher Dichte wie Speicherchips und Mikroprozessoren, die die Elektronikindustrie revolutioniert haben.

In den 1980er Jahren wurden IGBTs als Kreuzung zwischen Bipolar- und MOSFET-Transistoren eingeführt. Der Bedarf an einem effizienteren und leistungsfähigeren Transistor entstand, als GE Bantval Baliga bat, Klimaanlagen energieeffizienter zu machen, da die damaligen MOSFETs bei solch hohen Spannungen nicht effizient arbeiten konnten. Baliga kombinierte die Eingangseigenschaften eines bipolaren Transistors mit den Ausgangseigenschaften eines MOSFET, um einen Transistor zu schaffen, der bei höheren Spannungen und Temperaturen effektiv funktioniert und gleichzeitig Energie spart.

Zukünftige Innovationen

Bantval Jayant Baliga, der Erfinder des IGBT, will nun IGBTs und MOSFETs revolutionieren und durch Siliziumkarbid-Leistungstransistoren ersetzen. Während seiner Forschungsarbeit an der North Carolina State University fand Baliga heraus, dass sich Siliziumkarbid als mehr als 100-mal effizienter erwiesen hat als das Silizium, das standardmäßig in MOSFETs und IGBTs enthalten ist. Siliziumkarbid ermöglicht es Transistoren, schneller zu schalten und extrem hohen Temperaturen standzuhalten, und es wird erwartet, dass es bei der Herstellung von autonomen Fahrzeugen, bei denen die Elektronik robust sein und hohen Temperaturen standhalten muss, äußerst nützlich werden wird. Siliziumkarbid-Transistoren haben jedoch einen viel höheren Preis als Silizium-IGBTs und haben sich trotz ihrer erhöhten Energieeffizienz und Robustheit für die meisten Elektronikhersteller nicht als wirtschaftlich nachhaltig erwiesen. Allein IGBTs haben aufgrund der verbesserten Energieeffizienz schätzungsweise $25 Billionen eingespart, Siliziumkarbid-Transistoren könnten wahrscheinlich den Weg zur Senkung unseres Energieverbrauchs ebnen und den Bedarf an fossilen Brennstoffen verringern.

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