之前我们介绍了PN结二极管和NPN型三极管的微观结构及工作原理，三极管兼具放大和开关的功能。简单回顾一下三极管的结构原理，对我们理解MOS管和近年热炒的功率器件IGBT会有帮助。事实上这些器件都是从最简单的PN结演化而来，一脉相承。

　　NPN型三极管结构上是由两个PN结水平对置。当E、B之间加较小的正向偏压（略高于启动电压）时左侧PN结导通，同时掺杂浓度较低且较薄的P区整体势垒降低，电子穿透P区使得E、C之间的大电流导通，从而实现用E、B间的小电流控制E、C间大电流的功能，同时实现了开关和放大作用。

　　（3）多数载流子（N区中的电子）、少数载流子（P区中的电子）都参与了导电，而少数载流子浓度受温度等环境因素影响大，不稳定。

　　中间同样是NPN型（两个N+区为N型重掺杂，P区为单晶硅衬底），只是在上表面增加了一层SiO2（绝缘体）层，在类似NPN型三极管B极的位置，换成一个金属栅极（gate）。左侧N+区称为源极（source），右侧N+区称为漏极（drain）。这样一个半导体器件能够实现什么功能呢？

　　如果源极接地，栅极偏压VG为0（或反向偏压）时，源极、漏极之间的任何偏压都不能产生电流（同三极管），这是因为中间P区势垒较高，NPN不导通；

　　如果栅极加正向偏压，金属栅中的电子向上方聚集，栅靠近绝缘氧化层一侧产生正电荷（空穴），硅衬底靠近氧化物一侧（氧化层对面）聚集电子，当栅极偏压超过临界值时，P区通道聚集的电子浓度超过临界值，使得源极和漏极导通（此时金属栅、P区以及中间的绝缘氧化层起到一个电容器的作用）。

　　这一过程，通过控制栅极电压产生的电场（场效应）影响管道的导电率、开关状态：

　　可以看出，这种结构虽然没有放大电流的作用，但也实现了开关作用。同时，由于绝缘氧化层很难击穿、控制端（金属栅）本质上是一个电容，这种结构相比NPN三极管更适应高功率等一些复杂工况下的开关角色。

　　实际上MOS管的概念早在双载流子晶体管在贝尔实验室发明之前就有了，只是受限于材料和加工工艺，直到1980s，MOS管才取代双载流子晶体管成为主流，目前仍然是处理器、存储器等逻辑电路的基础结构，只是在材料、结构细节上有各种改进。

　　传统的MOS管在实现开关功能方面，相比三极管有了很大改进，但仍然不够完美。如果要用在高电压、大电流（高功率）场景，为防止击穿，需要对MOS管结构进行改进。例如在漏极旁边串联一个很长的漂移区用来分压：

　　虽然这样的器件能够实现大功率要求，可是它依然有它固有的缺点，由于它的源、栅、漏三端都在表面，所以漏极与源极需要拉的很长，太浪费芯片面积。而且由于器件位于表面，器件与器件之间如果要并联则复杂性大增。所以后来发展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏极统一放到晶圆背面：

　　但沟道还是是横在表面的，面积利用率还是不够高。后来对MOS管的其他结构改进还是不能把工作电压提高到理想的水平（最高达到过约1000V）。

　　既然MOS管的传统结构无法适应很高的工作电压，自然就有了基于MOS管的更复杂的结构——IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管：

　　结构上看和VDMOS非常接近，但在背面的漏极增加了一个P+层，下半部分实际上变成了一个三极管（双极结型晶体管，Bipolar Junction Transistor, BJT），原来的源极变成了发射极（Emitter），漏极变成了集电极（Collector）。

　　IGBT能够在MOS管导通的时候除了MOS管N区自己的电子还能从漏极（BJT的集电极）注入空穴，从而增大了输出电流。IGBT将三极管和MOS管结合在一起，兼具MOS管驱动功率小和三极管输出电流大的优势，适应600V以上的高功率场景，如交流电机、变频器等。

　　总之，IGBT和MOS管都实现了开关功能，但IGBT的性能更强。但为什么一个高功率开关的应用会如此广泛呢？

　　以电动车为例，动力电池输出直流电，但电机需要使用交流电驱动，从而需要逆变器将直流电转化为交流电。逆变器如何工作？下图展示了一个逆变器的最基本的电路结构：

　　S1和S4为一组同步开关，S2和S3为一组，两组交替打开/关闭，用电器两端的电压就会实现正负交替变化。

　　这只是最基本的电路原理，但我们可以看出，开关是实现直流/交流转化的重要元件，考虑到实际工况下的高电压、大电流、高频、大温差、振动等各种环境影响，对开关器件的性能要求会很高，这时IGBT的优势将会非常明显。