隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，先進半導體芯片得到了越來越多的重視。其實，半導體芯片在生活中的應用場景有很多，主要有：

邏輯半導體——應用于電腦和各種移動終端中的核心計算芯片；

存儲半導體——我們手機的RAM、ROM等；

以及功率半導體——廣泛應用于汽車、高鐵、電力行業(yè)的各種功率芯片，其中最著名的可能是IGBT。

IGBT這個詞你可能從沒聽過，但它一直在我們身邊默默服務。小到微波爐、變頻空調(diào)、變頻冰箱，大到新能源汽車、高鐵，甚至航母的電磁彈射，IGBT都不可或缺。

作為半導體開關之一，IGBT是能量變換和傳輸?shù)暮诵牧慵?/strong>常見的強電只有50Hz交流電，變壓器只能改變它的電壓。有了IGBT這種開關，就可以通過電路設計和計算機控制，改變交流的頻率，或者把交流變直流。

IGBT這個詞很抽象，我們可以按功能把它理解為電路開關，非通即斷。它就像家里的電燈開關，只不過是由電信號控制，能承受幾十到幾百伏電壓、幾十到幾百安電流的強電，每秒鐘開關頻率最高可達幾萬次。

IGBT的雛形是二極管，下面我們由淺及深，逐步介紹IGBT有趣的工作原理。

1 二極管的工作原理

初中物理就曾經(jīng)介紹過，我們來一起回想下。

二極管由半導體材料比如硅Si制造出來，Si的價電子層有四個電子，會跟相鄰的四個Si原子形成共價健。

電流的傳導需要自由電子，而共價鍵比較穩(wěn)定，幾乎沒有多余電子。怎么辦呢？

聰明的科學家想出一個辦法——摻雜。比如用價電子為5的磷P置換Si，自由電子產(chǎn)生了。

用價電子為3的硼B(yǎng)置換另一塊Si，空穴產(chǎn)生了。就這樣，蘿卜和坑都有了。

前者被稱為N型半導體，后者被稱為P型半導體。將N型和P型半導體拼在一起，二極管就誕生了。

在兩種半導體的交界線，有趣的事情發(fā)生了。交界處的空穴和電子，在相互吸引下，“牽手”成功。

同時因為電子的離開，會使N部分邊緣輕微帶正電。相反，P部分邊緣帶負電。產(chǎn)生的內(nèi)電場（又稱勢壘）會阻止任何一個電子進一步遷移。因此斷電狀態(tài)下，二極管內(nèi)是沒有電流的。

下面，我們給二極管接上電源。此時電源吸引電子和空穴到兩個極端，無法有電流產(chǎn)生，也就是電路斷開。

如果反轉(zhuǎn)電源，又會發(fā)生什么？

假設電源有足夠電壓，能夠克服內(nèi)電場的阻擋，電子會越過勢壘，跳到P型的空穴里，并逐漸移動到外部電路，即電路接通。此時外部電壓也被稱為二極管的正向偏壓。

接下來，難度升級。

2 MOSFET的工作原理

MOSFET，又簡稱MOS管，金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管，一般潛伏在電腦手機中。MOS管的設計也非常有趣。

MOS管有NPN型和PNP型，被稱為N溝道MOS管和P溝道MOS管，我們以NPN型為例，看看電路是如何接通和斷開的。

和二極管相同，MOS管的N部分、P部分交界處也會產(chǎn)生內(nèi)電場，阻止電子擴散，此時沒有電流。

下面我們接通電源，底部N部分電子向正極移動，空穴向相反方向移動，底部N與P交界處內(nèi)電場持續(xù)增大，即電路斷開。

反向接通電源，也是如此，在上端的N型半導體與P型半導體交界處，內(nèi)電場增大，電路依舊處于斷開狀態(tài)。那么，怎么才能讓電路接通呢？

聰明的工程師又來了，他在P部分上方加入金屬板和絕緣板，又稱為柵級。

源極與漏極電壓不變，柵源加正電壓，神奇的現(xiàn)象再次發(fā)生了。柵極將P部分電子吸引到絕緣板附近，空穴被填充，此處電位逐漸變化到和兩旁N部分相同，于是一條通道打開了。

之后電子在源極、漏極電壓驅(qū)動下運動，產(chǎn)生電流，電路接通。

降低柵極電壓，通道關閉，電路也就閉合了。柵極的存在，使得MOS管只需要很小的驅(qū)動功率，而且開關速度快。

3 IGBT工作原理

其實IGBT的結(jié)構和MOS管非常接近，只是背面增加N+和P+層。

“+”意味著更高的自由電子或者空穴密度。從而IGBT在保留MOS管優(yōu)點的同時，增加了載流能力和抗壓能力。

在新能源汽車上，IGBT負責交流直流轉(zhuǎn)換、高低壓轉(zhuǎn)換，決定了整車的功率釋放速度和能源效率。

IGBT能讓電機在瞬間爆發(fā)巨大能量，也能瞬間減少輸出，還能根據(jù)用電需求對電機變頻調(diào)速，降低能耗，增加續(xù)航，被稱作是電機驅(qū)動系統(tǒng)最核心的元件，當之無愧。