Differenza tra IGBT e MOSFET

I transistor bipolari erano l'unico vero transistor di potenza utilizzato fino a quando i MOSFET molto efficienti si sono succeduti nei primi anni '70. I BJT sono passati attraverso miglioramenti vitali delle sue prestazioni elettriche sin dal suo inizio verso la fine del 1947 ed è ancora ampiamente utilizzato nei circuiti elettronici. I transistor bipolari hanno caratteristiche di spegnimento relativamente lente e presentano un coefficiente di temperatura negativo che può causare un guasto secondario. I MOSFET, tuttavia, sono dispositivi controllati in tensione anziché controllati dalla corrente. Hanno un coefficiente di temperatura positivo per la resistenza che blocca l'instabilità termica e di conseguenza non si verifica una rottura secondaria. Quindi, gli IGBT sono entrati in scena alla fine degli anni '80. L'IGBT è fondamentalmente un incrocio tra i transistor bipolari e MOSFET ed è anche controllato in tensione come MOSFET. Questo articolo evidenzia alcuni punti chiave che confrontano i due dispositivi.

Cos'è un MOSFET?

MOSFET, acronimo di "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor", è un tipo speciale di transistor ad effetto di campo ampiamente utilizzato in circuiti integrati di grandi dimensioni, grazie alla sua struttura sofisticata e all'impedenza di ingresso elevata. È un dispositivo a semiconduttore a quattro terminali che controlla sia i segnali analogici che quelli digitali. Il cancello si trova tra la sorgente e lo scarico ed è isolato da un sottile strato di ossido metallico che impedisce alla corrente di fluire tra il cancello e il canale. La tecnologia è ora utilizzata in tutti i tipi di dispositivi a semiconduttore per amplificare i segnali deboli.

Cos'è un IGBT?

IGBT, acronimo di "Insulated Gate Bipolar Transistor", è un dispositivo a semiconduttore a tre terminali che combina la capacità di trasporto di corrente di un transistor bipolare con la facilità di controllo di quello di un MOSFET. Si tratta di un dispositivo relativamente nuovo nell'elettronica di potenza tipicamente utilizzato come interruttore elettronico in un'ampia gamma di applicazioni, da applicazioni di potenza medio-alta come alimentatori switching (SMPS). La sua struttura è quasi identica a quella di un MOSFET tranne l'aggiunta di un substrato p sotto il substrato n.

Differenza tra IGBT e MOSFET

1. Base di IGBT e MOSFET

IGBT sta per Transistor bipolare a gate isolato, mentre MOSFET è l'abbreviazione di transistor a effetto di campo a semiconduttore metallo-ossido. Sebbene entrambi siano dispositivi a semiconduttore a voltaggio controllato che funzionano meglio nelle applicazioni SMPS (switching mode power supply), gli IGBT combinano la capacità di gestione ad alta corrente dei transistor bipolari con la facilità di controllo dei MOSFET. Gli IGBT sono gatekeeper di corrente che combinano i vantaggi di un BJT e MOSFET per l'uso nei circuiti di controllo dell'alimentazione e del motore. MOSFET è un tipo speciale di transistor ad effetto di campo in cui la tensione applicata determina la conduttività di un dispositivo.

2. Principio di funzionamento di IGBT e MOSFET

Un IGBT è essenzialmente un dispositivo MOSFET che controlla un transistor di potenza a giunzione bipolare con entrambi i transistor integrati su un singolo pezzo di silicio, mentre il MOSFET è il gate FET più comune isolato, più comunemente fabbricato dall'ossidazione controllata del silicio. Il MOSFET funziona generalmente variando elettronicamente la larghezza del canale per la tensione su un elettrodo chiamato gate che si trova tra la sorgente e lo scarico ed è isolato da un sottile strato di ossido di silicio. Un MOSFET può funzionare in due modi: modalità di esaurimento e modalità di miglioramento.

3. Impedenza di ingresso di IGBT e MOSFET

Un IGBT è un dispositivo bipolare a tensione controllata con elevata impedenza di ingresso e grande capacità di gestione della corrente di un transistor bipolare. Possono essere facili da controllare rispetto ai dispositivi controllati in corrente in applicazioni ad alta corrente. I MOSFET richiedono quasi nessuna corrente di ingresso per controllare la corrente di carico che li rende più resistivi al terminale di gate, grazie allo strato di isolamento tra il gate e il canale. Lo strato è fatto di ossido di silicio che è uno dei migliori isolanti utilizzati. Blocca efficacemente la tensione applicata ad eccezione di una piccola corrente di dispersione.

4. Resistenza ai danni

I MOSFET sono più suscettibili alle scariche elettrostatiche (ESD) in quanto l'elevata impedenza di ingresso della tecnologia MOS in un MOSFET non consente alla carica di dissiparsi in modo più controllato. L'isolatore supplementare di ossido di silicio riduce la capacità del cancello che lo rende vulnerabile contro i picchi di tensione molto elevati che inevitabilmente danneggiano i componenti interni. I MOSFET sono molto sensibili alle ESD. Gli IGBT di terza generazione combinano le caratteristiche di pilotaggio della tensione di un MOSFET con la bassa capacità di resistenza in presenza di un transistor bipolare, rendendoli così estremamente tolleranti contro sovraccarichi e picchi di tensione.

5. Applicazioni di IGBT e MOSFET

I dispositivi MOSFET sono ampiamente utilizzati per la commutazione e l'amplificazione di segnali elettronici in dispositivi elettronici, in genere per applicazioni ad alto rumore. La maggior parte dell'applicazione di un MOSFET è in alimentatori switching, in più possono essere utilizzati negli amplificatori di classe D. Sono i transistor ad effetto di campo più comuni e possono essere utilizzati sia nei circuiti analogici che digitali. Gli IGBT, d'altra parte, vengono utilizzati in applicazioni di potenza medio-alta come l'alimentazione in modalità switch, il riscaldamento a induzione e il controllo del motore di trazione. È usato come componente vitale in apparecchi moderni come auto elettriche, reattori per lampade e VFD (variatori di frequenza).

IGBT vs MOSFET: grafico di confronto

Riassunto di IGBT vs. MOSFET

Sebbene sia IGBT che MOSFET siano dispositivi a semiconduttore a voltaggio controllato principalmente utilizzati per amplificare i segnali deboli, gli IGBT combinano la bassa capacità di resistenza in presenza di un transistor bipolare con le caratteristiche di pilotaggio della tensione di un MOSFET. Con la proliferazione delle scelte tra i due dispositivi, diventa sempre più difficile scegliere il dispositivo migliore in base alle proprie applicazioni. MOSFET è un dispositivo a semiconduttore a quattro terminali, mentre IGBT è un dispositivo a tre terminali che è un incrocio tra il transistor bipolare e un MOSFET che li rende estremamente tolleranti alle scariche elettrostatiche e ai sovraccarichi.