Verdict結論
差異在於傳導電流的載子種類。雙極性元件同時利用電子與電洞來傳導電流,代表有雙極性電晶體(BJT)、IGBT與PN二極體。單極性元件只靠電子或電洞其中一種多數載子傳導電流,代表有MOSFET與蕭特基二極體。雙極性元件容易以低損耗通過大電流,但受殘留載子影響,切換速度較慢;單極性元件速度快,MOSFET的閘極幾乎不需電流,可用電壓控制。
主要差異
| 比較項目 | 雙極性(例:雙極性電晶體) | 單極性(例:MOSFET) |
|---|---|---|
| 傳導電流的載子 | 電子與電洞兩者 | 電子或電洞其中一種(多數載子) |
| 控制方式 | 以基極電流控制(電流驅動) | 以閘極電壓控制(電壓驅動) |
| 輸入所需電流 | 需持續提供基極電流 | 閘極幾乎沒有電流(靜態時為0) |
| 切換速度 | 因少數載子累積而容易變慢 | 快 |
| 大電流・高耐壓下的損耗 | 可藉電導調變降低導通電阻 | 耐壓越高,導通電阻越大 |
| 代表性元件 | BJT、HBT、IGBT、閘流體、PN二極體 | MOSFET、JFET、HEMT、蕭特基二極體 |
| 主要用途 | 高頻放大(HBT)、大功率(IGBT)、類比 | 積體電路(CMOS)、低~中耐壓電源 |
積體電路以單極性的CMOS為主角
過去電腦的邏輯電路也是用雙極性電晶體製作,但雙極性電晶體必須持續對基極供應電流,元件一多,功耗與發熱就會變大。MOSFET的閘極是絕緣的,幾乎不流通電流;結合NMOS與PMOS的CMOS只在狀態切換時才消耗電力,因此能整合數十億個元件。所以現今的積體電路幾乎全部以CMOS製作。
功率元件依需求運用兩者的長處
耐高電壓的元件,電流通道必須做得較厚且雜質較少,在單極性的MOSFET中,這部分的電阻就會變大。雙極性元件在通電時會注入大量電子與電洞,產生使電阻下降的電導調變,因此即使在高耐壓下也能降低損耗。IGBT的結構是一邊以MOSFET的閘極控制、一邊利用這種電導調變,兼顧電壓驅動的易用性與雙極性的低損耗。另一方面,SiC MOSFET憑藉材料特性在高耐壓下也能壓低電阻,因此以單極性的形式同時實現高速化與低損耗。
高頻領域雙極性元件仍在第一線
智慧型手機的發射用功率放大器等,使用GaAs或SiGe的異質接面雙極性電晶體(HBT)。原因是其電流驅動能力高,在高頻下也能獲得增益。在同樣的高頻領域中,GaN HEMT這類單極性元件則用於高功率基地台等,依用途區分使用。
常見問題
IGBT是雙極性還是單極性?
IGBT歸類為雙極性元件。其閘極與MOSFET一樣以電壓控制,但導通時由電子與電洞兩者傳導電流,並藉電導調變降低導通電阻。相對地,關斷時受殘留載子影響,切換速度比MOSFET慢。
二極體也有雙極性與單極性之分嗎?
有。一般的PN接面二極體同時利用電子與電洞,屬於雙極性;蕭特基二極體只靠多數載子運作,屬於單極性。蕭特基二極體沒有少數載子累積,因此逆向恢復快,適合高速切換。