MOSFET / IGBT

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconduttore Field-Effetto Transistor) e IGBT (Inisolata -Gate Bipolar Transistor) sono transistor di potenza utilizzati per controllare l'uscita su molti servoazionamenti. Entrambi i transistor di potenza sono dispositivi a semiconduttore di potenza a tre terminali che vengono utilizzati per commutare e amplificare i segnali elettronici.

MOSFET

Il MOSFET è un transistor a effetto campo che comprende tre componenti: una sorgente, un drenaggio e un gate. Il MOSFET funziona variando la larghezza di un canale tra i nodi di sorgente e di scarico lungo il quale scorrono i portatori di carica. La tensione applicata attraverso il gate controlla la dimensione del canale che determina il flusso di corrente nel drain. I MOSFET hanno solo 2 strati di substrato di tipo P e N che abbassa la loro capacità di tensione rispetto agli IGBT, ma permette loro di gestire velocità di commutazione più elevate. I MOSFET più recenti sono stati in grado di gestire tensioni molto più elevate, ma questo comporta un aumento delle dimensioni e dei costi. I MOSFET sono comunemente usati nell'elettronica automobilistica e nella robotica a causa delle loro velocità di commutazione rapida. I MOSFET possono anche essere utilizzati per molte applicazioni industriali a seconda della tensione e delle condizioni di commutazione.

IGBT

L'IGBT è un transistor bipolare, anch'esso composto da tre componenti: un emettitore, un collettore e un gate. Gli IGBT hanno le capacità di ingresso ad alta corrente e bassa tensione di saturazione dei transistor bipolari con le caratteristiche di uscita dei MOSFET. A differenza dei MOSFET, gli IGBT sono controllati in corrente, producendo un campo magnetico piuttosto che un campo elettrico e una corrente dominante di portatore di minoranza. Gli IGBT hanno strati multipli di substrato P e N che danno loro il vantaggio di gestire tensioni elevate rispetto ai MOSFET. Questi strati extra hanno lo svantaggio di una minore velocità di commutazione, tuttavia, le innovazioni nella tecnologia IGBT hanno permesso a questi transistor di avere velocità di commutazione paragonabili ai MOSFET. Gli IGBT sono usati in molte applicazioni industriali e automobilistiche e tendono ad essere preferiti per gli elettrodomestici come i condizionatori e i frigoriferi. Come i MOSFET, le applicazioni specifiche degli IGBT dipendono dalla tensione e dalle condizioni di commutazione.

Confronto tra MOSFET e IGBT

MOSFET IGBT
Similitudini di costruzione Composto da substrati di tipo P e N per permettere e controllare il flusso di corrente
Differenze di costruzione Due strati di substrato di tipo P e N contribuiscono all'alta frequenza di commutazione e contengono un diodo di scarico Gli strati multipli del substrato P e N danno all'IGBT un'alta conducibilità, non ha un diodo di scarico del corpo
Controllo Dispositivi a portante maggioritaria guidati dalla tensione, producono un campo elettrico Dispositivi a minoranza portante controllata dalla corrente, produce un campo magnetico
Usa Possono essere utilizzati in azionamenti digitali e analogici, entrambi sono utilizzati in servoazionamenti off-the-shelf e personalizzati. Le loro piccole dimensioni hanno portato alla possibilità di servoazionamenti più piccoli come la serie µZ
Somiglianze di interfaccia Transistor a tre terminali composti da un circuito di pilotaggio del gate relativamente semplice
Differenze di interfaccia Sorgente, drenaggio, cancello Emettitore, collettore, cancello
Tensione di funzionamento Tipicamente <250V Capace di >1000V
Frequenza di commutazione Alto +100kHz Basso ~20kHz

Storia

Prima che i MOSFET fossero introdotti negli anni '60 i transistor bipolari erano gli unici veri transistor di potenza sul mercato. Julius Lilienfeld descrisse effettivamente un dispositivo estremamente simile a un transistor a effetto di campo nel 1926, anni prima ancora che il transistor bipolare fosse introdotto, ma non fu mai prodotto perché non era necessario nella principale innovazione dell'epoca: il telefono. I transistor bipolari sono controllati in corrente, richiedono un'elevata corrente di base per accendersi e sono responsabili di elevate quantità di runaway termico. I MOSFET forniscono le stesse capacità dei transistor bipolari ma sono controllati dalla tensione al terminale di gate piuttosto che dalla corrente, permettendo loro di usare molta meno energia per accendersi. I MOSFET sono stati in grado di essere fatti molto più piccoli dei transistor bipolari, hanno una velocità di commutazione più veloce, permettono una densità molto più alta e minimizzano il runaway termico. Le piccole dimensioni dei transistor di potenza MOSFET hanno permesso la creazione di circuiti integrati ad alta densità come i chip di memoria e i microprocessori che hanno rivoluzionato l'industria elettronica.

Negli anni '80 gli IGBT furono introdotti come un incrocio tra transistor bipolari e MOSFET. La necessità di un transistor più efficiente e potente sorse quando GE chiese a Bantval Baliga di rendere le unità di condizionamento dell'aria più efficienti dal punto di vista energetico, poiché i MOSFET dell'epoca non erano in grado di operare in modo efficiente a tensioni così elevate. Baliga combinò le caratteristiche di ingresso di un transistor bipolare con le caratteristiche di uscita di un MOSFET per creare un transistor che potesse funzionare efficacemente a tensioni e temperature più elevate, pur conservando energia.

Innovazioni future

Bantval Jayant Baliga, l'inventore dell'IGBT, ora mira a rivoluzionare e sostituire IGBT e MOSFET con transistor di potenza in carburo di silicio. Mentre conduceva una ricerca alla North Carolina State University, Baliga ha scoperto che il carburo di silicio ha dimostrato di essere più di 100 volte più efficiente del silicio che è standard nei MOSFET e negli IGBT. Il carburo di silicio permette ai transistor di commutare più velocemente e di gestire temperature estremamente elevate e ci si aspetta che diventi estremamente utile nella produzione di veicoli autonomi dove l'elettronica deve essere robusta e in grado di resistere alle alte temperature. Tuttavia, i transistor in carburo di silicio hanno un prezzo molto più alto rispetto agli IGBT in silicio e non hanno dimostrato di essere economicamente sostenibili per la maggior parte dei produttori di elettronica anche con la loro maggiore efficienza energetica e robustezza. Si stima che gli IGBT da soli abbiano fatto risparmiare $25 trilioni di euro grazie al miglioramento dell'efficienza energetica, i transistor al carburo di silicio potrebbero probabilmente aprire la strada verso la riduzione del nostro consumo energetico e diminuire il bisogno di combustibili fossili.

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