IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極晶體管是由BJT (bipolar transistor)和MOS(Insulated Gate field effect Transistor)組成的復合型全控壓驅動功率半導體器件，具有MOSFET輸入阻抗高、GTR導通壓降低的優點。GTR飽和電壓降低，載流密度高，但驅動電流大；MOSFET的驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。

　　IGBT結合了上述兩種器件的優點，具有低驅動功率和低飽和電壓。非常適用于DC電壓600V及以上的變流系統，如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

　　存在在IGBT大力發展之前，功率場效應晶體管MOSFET用于需要快速開關的中低壓場合，晶閘管和GTO用于中高壓領域。雖然MOSFET具有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、驅動電路簡單等優點；但在200V或更高電壓的情況下，MOSFET的導通電阻會隨著擊穿電壓的增加而迅速增加，使得其功耗大大增加，存在無法獲得高耐壓和大容量元件等缺陷。雙極晶體管具有低正向導通壓降的優良特性。雖然可以獲得耐壓高、容量大的元件，但需要驅動電流大、控制電路復雜、開關速度低。

　　IGBT就是為了滿足這一要求而開發的。它是由MOSFET(輸入級)和PNP晶體管(輸出級)組成的器件。具有MOSFET驅動功率低，開關速度(控制和響應)快，雙極器件容量大(功率級耐用)的特點。其頻率特性介于MOSFET和功率晶體管之間，可以在幾十KHz的頻率范圍內正常工作?；谶@些優異的特性，IGBT在電壓超過300V V的應用中得到了廣泛的應用，模塊化IGBT可以滿足更高的電流傳導要求，應用領域也在不斷完善，未來會有更大的發展。

　　IGBT的結構和特點；

　　畫圖1示出了N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構。N+區稱為源區，附著其上的電極稱為源極(即發射極e)。n的基極稱為漏區。器件的控制區是柵極區，附著在其上的電極稱為柵極(即柵極G)。溝道形成在柵極區域的邊界附近。

　　存在C和E之間的P型區(包括形成溝道的P+和P-區)稱為子溝道區。漏區另一側的P+區稱為漏注入區，是IGBT特有的功能區。它與漏極區和子溝道區一起構成PNP雙極晶體管，作為發射極，向漏極注入空穴并進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附著于漏極注入區的電極稱為漏極(即集電極C)。

　　IGBT的開關作用是通過加正向柵壓形成溝道，為PNP(原NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導通。相反，增加反向柵極電壓以消除溝道，切斷基極電流并關閉IGBT。

　　IGBT的驅動方式與MOSFET基本相同，只需要控制輸入N溝道MOSFET，因此具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N層的空穴(少數載流子)中，調制N層的電導，降低N層的電阻，使IGBT在高電壓下具有較低的通態電壓。

　　IGBT是一種結合了MOSFET和GTR技術的復合開關器件。它是在功率MOSFET的漏極上加一層p+層形成的，在性能上也結合了MOSFET和雙極功率晶體管的優點。N+區稱為源區，附著其上的電極稱為源極(即發射極e)；P+區稱為漏區，器件的控制區為柵區，附著其上的電極稱為柵極(即柵極G)。

　　溝道形成在柵極區域的邊界附近。存在C極和E極之間(形成溝道的地方)的P型區(包括P+和P-區)稱為子溝道區。漏區另一側的P+區稱為漏注入區，是IGBT特有的功能區。它與漏極區和子溝道區一起構成PNP雙極晶體管，作為發射極，向漏極注入空穴，進行導電調制，降低器件的通態壓降。附著于漏極注入區的電極稱為漏極(即集電極C)。

　　IGBT由一個N溝道MOSFET和一個PNP GTR組成，實際上是一個以GTR為主導元件，MOSFET為驅動元件的復合管。除了PNP晶體管結構，IGBT還有NPN晶體管結構，通過將其基極和發射極連接到MOSFET的源極金屬端來關斷。

　　IGBT的四層PNPN結構包含PNP和NPN晶體管形成SCR結構，這可能引起IGBT的柱提升效應。與MOSFET不同，IGBT沒有寄生反向二極管，所以在實際使用中(感性負載)需要配備合適的快恢復二極管。

　　IGBT的理想等效電路和實際等效電路如下圖所示:

　　通過等效電路可以IGBT是由PNP雙極晶體管和功率MOSFET之間的達林頓連接形成的單片Bi-MOS晶體管。

　　因此，在大門口-當在發射極之間施加正電壓以導通功率MOSFET時，PNP晶體管的基極-集電極與低電阻連接，從而PNP晶體管處于導通狀態。因為漏極增加了p+層，所以在導通狀態下，空穴從p+層注入到N基極，這導致了導電性的轉變。因此，與功率MOSFET相比，它可以獲得非常低的導通電阻

　　此后，制作柵極-發射極間電壓為0V時，首先功率MOSFET處于開路狀態，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而處于開路狀態。

　　如上所述，像功率MOSFET一樣，IGBT可以通過電壓信號控制開關動作。

　　IGBT的工作特點:

　　1.靜態特性

　　IGBT的靜態特性主要包括伏安特性、傳遞特性和開關特性。

　　IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參數變量時，漏電流與柵電壓的關系曲線。輸出漏電流比由柵源電壓Ugs控制，Ugs越高，Id越大。類似于GTR的輸出特性，也可以分為三個部分:飽和區1、放大區2和擊穿特性。

　　在切斷狀態下IGBT和直流電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果沒有N+緩沖，正向和反向阻斷電壓可以是一個級別，而加入N+緩沖后，反向關斷電壓只能達到幾十伏，從而限制了IGBT的一些應用范圍。

　　IGBT的轉移特性指的是輸出漏極電流Id和柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它具有與MOSFET相同的傳輸特性。當柵源電壓小于導通電壓Ugs(th)時，IGBT處于截止狀態。在IGBT開啟后的大部分漏極電流范圍內，Id和Ugs之間的關系是線性的。柵源電壓受漏電流限制，其值一般在15V左右。

　　IGBT的開關特性指的是漏電流和漏源電壓之間的關系。IGBT導通時，其PNP晶體管為寬基極晶體管，因此B值極低。雖然等效電路是達林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，導通狀態電壓Uds(on)可以由下面的公式表示:

　　Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

　　公式uj1——Ji結的直流電壓，取值為0.7 ~ 1Vudr-擴展電阻Rdr兩端的電壓降；Roh通道電阻。

　　導通電流id可以用下面的公式表示:

　　Ids=(1+Bpnp)Imos

　　公式imos-流經MOSFET的電流。

　　因為N+區存在電導調制效應，所以IGBT的通態壓降較小，耐壓1000V的IGBT的通態壓降為2 ~ 3 V..當IGBT斷開時，只有很小的漏電流存在。

　　1動態特征

　　在IGBT的導通過程中，IGBT大部分時間作為MOSFET工作，但在漏源電壓Uds下降的后期，PNP晶體管從放大區變為飽和，這又增加了一個延遲時間。Td(on)是開啟延遲時間，tri是電流上升時間。在實際應用中，漏電流導通時間ton是td (on) tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成。

　　IGBT的觸發和關斷需要在其柵極和基極之間加上直流電壓和負電壓，柵極電壓可以由不同的驅動電路產生。在選擇這些驅動電路時，必須基于以下參數:器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、固體電阻的要求和電源的情況。由于IGBT的柵發射極阻抗較大，可以用MOSFET驅動技術觸發，但由于IGBT的輸入電容大于MOSFET，所以IGBT的關斷偏置應該高于很多MOSFET驅動電路提供的關斷偏置。

　　IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT關斷時，不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨著柵發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的導通電壓約為3 ~ 4 V，與MOSFET相當。IGBT導通時，飽和壓降低于MOSFET，接近GTR，飽和壓降隨柵壓的增加而減小。

　　IGBT的工作原理:

　　IGBT是垂直功率MOSFET的自然演變，適用于大電流、高電壓應用和快速終端設備。因為需要源極-漏極溝道來實現更高的擊穿電壓BVDSS，但是該溝道具有高電阻率，這導致功率MOSFET具有高RDS(on)值。IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。

　　雖然一代異能者MOSFET器件極大地改善了RDS(on)特性，但在高電平下，功率導通損耗仍遠高于IGBT技術。與標準雙極性器件相比，更低的壓降、轉換為低VCE(sat)的能力以及IGBT的結構可以支持更高的電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。

　　N溝道IGBT通過在柵極和發射極之間施加高于閾值電壓VTH的(正)電壓，在柵極電極正下方的P層上形成反型層(溝道)，并開始從發射極電極下方的N層注入電子來工作。這個電子是p+n-p晶體管的少數載流子，它從集電極襯底的p+層流入空穴進行電導率調制(雙極操作)，因此可以降低集電極和發射極之間的飽和電壓。

　　工作時的等效電路如圖所示。1(b)，IGBT的符號如圖1(c)所示。在發射極電極側形成n+pn寄生晶體管。如果n+pn寄生晶體管工作，它就成為一個p+n- pn+晶閘管。電流繼續流動，直到輸出端停止提供電流。不再可能通過輸出信號進行控制。這種狀態通常被稱為鎖定狀態。

　　為了壓制n+pn寄生晶體管IGBT的工作采用盡可能降低p+n-p晶體管電流放大系數α的措施來解決閂鎖問題。具體地，p+n-p的電流放大系數α被設計為0.5或更小。IGBT的阻斷電流IL是額定電流(DC)的3倍以上。IGBT的驅動原理與功率MOSFET基本相同，開關由柵發射極電壓uGE決定。

　　導通

　　IGBT硅片的結構與功率MOSFET非常相似。主要區別是IGBT增加了一個P+襯底和一個N+緩沖層(這部分在NPT-非穿通IGBT技術中是沒有增加的)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。襯底的應用在管的P+和N+區域之間產生了J1結。

　　當正柵極偏壓反轉柵極底部時在P-基極區域中，形成N-溝道，同時出現電子流，并且完全以功率MOSFET的方式產生電流。如果這種電子流產生的電壓在0.7V的范圍內，那么J1將處于正向偏置，一些空穴將被注入N區，陽極和陰極之間的電阻率將被調節，這降低了功率傳導的總損耗，并開始第二次電荷流。

　　因此，在半導體層面暫時出現了兩種不同的電流拓撲:電子流。(MOSFET電流)；空穴電流(雙極性)。當uGE大于導通電壓UGE(th)時，MOSFET中形成一個溝道為晶體管提供基極電流，IGBT導通。

　　開啟電壓降

　　電導率調制效應使得電阻RN降低，使通態壓降變小。

　　栓

　　當向柵極施加負偏置電壓或者柵極電壓低于閾值時，溝道被禁止，并且沒有空穴注入。在z-地區。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流將逐漸降低，因為在換向開始后，N層中仍有少數載流子(少數載流子)。

　　這個剩余電流值(尾流)的減小完全取決于關斷時的電荷密度，而密度與幾個因素有關，比如摻雜劑的量和拓撲、層厚和溫度。少數載流子的衰減使得集電極電流具有特征性的尾波波形，造成以下問題:功耗增加；交叉傳導的問題更加明顯，尤其是在使用續流二極管的設備中。

　　因為尾流與少數載流子復合有關，所以尾流的電流值應該與芯片的溫度有關。集成電路的空穴遷移率與VCE密切相關。因此，根據達到的溫度，減少電流作用在終端設備設計上的不良影響是可行的，尾流特性與VCE、IC和TC有關。

　　當在柵極和發射極之間施加背壓或者沒有施加信號時，MOSFET中的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關閉。

　　反向阻斷

　　當反向電壓施加到集電極時，J1將由反向偏置控制，耗盡層將擴展到N區。因為這一層的厚度減少太多，將不會獲得有效的阻擋能力，所以這一機制非常重要。另一方面，如果該區域的尺寸過度增加，壓降將持續增加。

　　正向阻斷

　　當柵極和發射極短路并且向集電極端子施加正電壓時，P/NJ3結由反向電壓控制。此時，承受外加電壓的仍然是N漂移區中的耗盡層。

　　門閂

　　IGBT在集電極和發射極之間有一個寄生的PNPN晶閘管。在特殊情況下，這個寄生裝置會開啟。這種現象會增加集電極和發射極之間的電流，降低等效MOSFET的控制能力，通常會造成器件擊穿。晶閘管導通現象被稱為IGBT閉鎖。具體來說，這種缺陷的原因各不相同，并且與設備的狀態密切相關。一般來說，靜態和動態閂鎖有以下主要區別:

　　動態閂鎖僅在斷電時發生。這種特殊現象嚴重限制了安全操作區域。

　　為了防止寄生現象對于NPN和PNP晶體管的有害現象，需要采取以下措施:一是防止NPN部分導通，分別改變布局和摻雜水平；第二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。

　　此外，鎖存電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定影響，因此也與結溫密切相關。隨著結溫和增益的增加，P基區的電阻率會增加，破壞整體特性。因此，器件制造商必須注意保持集電極電流和閂鎖電流之間的一定比例，通常為1: 5。

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