ماسفِت (MOSFET) و IGBT چه تفاوت هایی با هم دارند؟

انواع زیادی از ترانزیستور های مناسب در کاربرخای مختلف  برای انتخاب وجود دارد. اما دو نمونه معروف و محبوب آنها ماسفت (ترانزیستور اثر میدان با نیمه هادی اکسید فلزی) و IGBT (ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق) هستند. به طور کلی می‌توان ماسفت را با ولتاژ کم، جریان پایین و فرکانس سوئیچ بالا و IGBT را با ولتاژ بالا، جریان زیاد و فرکانس سوئیچ پایین شناخت. برخی از مشخصات این دو ترانزیستور را می توانید در جدول زیر مشاهده کنید‌:

گرچه برای انتخاب بهترین ترانزیستور در کاربردهای متنوع نظرات متفاوتی وجود دارد ولی می‌توان حقیقت را اینگونه بیان کرد که استاندارد جهانی وجود ندارد که بتواند مشخص کند که کدامیک از این دو، دارای عملکرد بهتری در مدار خاص هستند. چون معیار این برتری به کاربردهای مختلف آن ها و عوامل زیادی مانند سرعت، اندازه و هزینه بستگی دارد که انتخاب گزینه برتر را بسیار دشوار می سازد. پس به جای برتر دانستن یکی بر دیگری، به تفاوت‌های پایه ای و کلی این دو ترانزیستور می پردازیم.

نسبت یک سوئیچ کاملاً کنترل شونده سه ترمیناله (گیت، سورس، درین) است.  سیگنال گیت/کنترل بین سورس و گیت ایجاد می‌شود و ترمینال های سوئیچ کننده سورس و درین هستند. خود گیت از فلز ساخته شده ولی سورس و درین از اکسید فلز ساخته شده اند. استفاده از این مواد باعث می‌شود تا مصرف انرژی در ماسفت کاهش یافته و این ترانزیستور انتخاب مناسبی برای ایفای نقش به عنوان سوئیچ و آمپلی فایر با منبع برق معمولی باشد.

ماسفت برای کارکرد صحیح باید دمای بهینه شده ای داشته باشد. این یعنی که حرارت باید به طور کامل از ماسفت دفع شود. چون از لحاظ تئوریک مقاومت درونی ترانزیستور بی نهایت است و این قطعه در فرکانس های بالا نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، در نتیجه گرمای بسیاری تولید کرده و برای عملکرد بهینه در فرایند سوئیچ کردن های پر سرعت، بهتر است این گرما به وسیله هیت سینک های فلزی دفع شود.

انواع مختلفی از ماسفت ها وجود دارد اما قیاس پذیرترین آنها با IGBT، پاور ماسفت است. این قطعه به طور خاص برای مدیریت کردن توان های بالا طراحی شده است. پاور ماسفت ها فقط در شرایط خاموش یا روشن استفاده می‌شوند، به همین دلیل است که بیشترین مصرف را در سوئیچ های ولتاژ پایین دارند. در مقایسه با IGBT هم سرعت ارتباطی بهتر و کارکرد بهینه تری در عملیات‌های ولتاژ پایین از خود نشان می‌دهد. در پاور ماسفت قابلیت بلوکه کردن ولتاژ بالاتری وجود دارد و می‌تواند جریان بیشتری را در خود نگه دارد. دلیل این قابلیت هم ساختار چینش عمودی (و نه مسطح) در اکثر این قطعات می باشد.

نرخ ولتاژ رابطه مستقیم با آلایش و ضخامت لایه هم بافت n دارد و نرخ جریان نیز مرتبط با عرض کانال است( هرچه کانال عریض تر باشد، جریان بیشتر است). پاور ماسفت ها به خاطر بهینه بودن شان در منبع های تغذیه، مبدل های الکتریکی و موتورهای کنترل کم ولتاژ کاربرد دارند.

IGBT نیز مانند ماسفت یک ترانزیستور سه ترمیناله (گیت، کالکتور و درین) و سوییچی کاملاً کنترل شونده است. سیگنال گیت/کنترل بین گیت و امیتر به وجود می‌آید و ترمینال های سوییچ آن درین و امیتر هستند.

‏IGBT ها را می‌توان ترکیبی از خصوصیت ساده و جریان بالا گیت در ماسفت ها و قابلیت ولتاژ پایین ترانزیستورهای دوقطبی دانست.  این قطعه از یک گیت مجزای FET برای کنترل ورودی و یک پاور ترانزیستور دوقطبی به عنوان سوئیچ استفاده می کند.

IGBT برای خاموش و روشن شدن پی در پی طراحی شده است. فرکانس تکرار پالس این قطعه به محدوده فراصوت می‌رسد. از این قابلیت منحصر به فرد در اکثر آمپلی فایر ها استفاده می شود تا امواج پیچیده را با استفاده از فیلترهای نفوذ پایین و ماژولاسیون پهنای پالس در هم ترکیب کند. همچنین از این قطعات برای تولید پاور پالس های بزرگ در علومی مانند علوم ذرات و فیزیک پلاسمایی استفاده می شود.

IGBT ها در وسایل برقی امروزی نیز جایگاه مهمی دارند، از موارد استفاده آنها می‌توان خودروهای برقی، قطارها، یخچال فریزرها، خنک کننده های هوا و غیره را نام برد.

هر دوی این ترانزیستورها در ساختار شباهت های بسیاری به هم دارند. تنها تفاوت مهم آنها در گردش جریان الکترون هاست که در IGBT لایه p اضافه تری در زیر لایه n وجود دارد. در این لایه اضافی p، حفره ها (سیگنال های ارسالی در نبود الکترون) را  به لایه n بسیار مقاومی تزریق می‌ کند و جریان حامل وجود می‌آورد. این افزایش رسانایی درون لایه n به افزایش ولتاژ بین امیتر و کالکتور در IGBT کمک می‌کند. متأسفانه این افزایش رسانایی، گردش معکوس جریان را متوقف می‌کند، در نتیجه یک دیود اضافی (که اغلب به آن دیود چرخش آزاد می گویند) را به صورت موازی با IGBT قرار می دهند تا جریان را به جهت مخالف هدایت کند.

نبودن حامل اقلیت (حامل هایی هستند که کمتر از نصف تعداد کل حامل ها در قطعه نیمه هادی را شامل می شوند) به ماسفت این امکان را می‌دهد که در فرکانس‌های بالاتری بتواند سوییچ کند. اما دو محدودیت نیز وجود دارد: یکی زمان انتقال الکترون ها از ناحیه رانش و دیگری مقدار زمانی است که برای شارژ و دِشارژ گیت ورودی و ظرفیت الکتریکی امیتر نیاز است.

کاهش ولتاژ بین امیتر و کالکتور در IGBT باعث سرعت پایین تر سوئیچ در خاموش شدن است. دلیلش این است که در حین گردش الکترون ها با کاهش یافتن ولتاژ بین گیت و امیتر به کمتر از ظرفیت کل ولتاژ (در ماسفت ها نیز همین گونه است)، توقفی ناگهانی اتفاق می‌افتد. حفره های باقیمانده در بدنه و ناحیه رانش هم در این فرآیند تاثیر دارد(در این نقاط، اتصال با ترمینال برای حذف کردن حفره ها وجود ندارد). تنها راه خارج کردن این حفره ها، تخلیه آنهاست که نیازمند تخلیه ولتاژ سرتاسر قطعه و بازنشانی داخلی آن است. در نتیجه این قطع جریان دنباله دار، کندی سرعت در خاموش شدن ها را به دنبال دارد و دلیلش مقدار زمانی است که برای فرآیند تخلیه و بازنشانی لازم است. این مساله همیشه یک نقطه ضعف برای IGBT ها به حساب آمده است.

پیشرفت‌ها و دستاوردها طی سال‌ها، به بهبود در عملکرد و بهینه شدن این دو قطعه کمک های فراوانی کرده اند. در این قسمت به پیشرفت ها و تحولاتی که ماسفت ها و IGBT ها در طول زمان داشته اند، می پردازیم.

ماسفت ها:

• سرعت سوئیچ کردن بهبود یافته
• عملکرد دینامیک بهبود یافته که به انرژی کمتری نیاز دارد
• ظرفیت الکتریکی بازگشتی پایین تر از گیت و درین
• آمپدانس گرمایی کمتر که باعث اتلاف انرژی بسیار کمتری می شود
• فراز و نشیب کمتر زمانی که به سوییچ کردن در فرکانس های بالاتر می انجامد

IGBT ها:

• تکنیک های تولید بهینه شده که به هزینه تولید کمتر منجر می شود
• در OVERLOAD ها ایستادگی بهتری پیدا کرده اند
• اشتراک در جریان موازی بهینه شده
• امواج خاموش و روشن شدن سریع تر و روان تر
• اتلاف پایین‌تر نرخ سوییچ شدن بین امیتر و گیت
• آمپدانس گرمایی کمتر
• ظرفیت الکتریکی ورودی کمتر