IGBT的結(jié)構(gòu)原理與特性圖解

在IGBT得到大力發(fā)展之前，功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET被用于需要快速開(kāi)關(guān)的中低壓場(chǎng)合，晶閘管、GTO被用于中高壓領(lǐng)域。MOSFET雖然有開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn);但是，在200V或更高電壓的場(chǎng)合，MOSFET的導(dǎo)通電阻隨著擊穿電壓的增加會(huì)迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能得到高耐壓、大容量元件等缺陷。雙極晶體管具有優(yōu)異的低正向?qū)▔航堤匦裕m然可以得到高耐壓、大容量的元件，但是它要求的驅(qū)動(dòng)電流大，控制電路非常復(fù)雜，而且交換速度不夠快。
　　IGBT正是作為順應(yīng)這種要求而開(kāi)發(fā)的，它是由MOSFET(輸入級(jí))和PNP晶體管(輸出級(jí))復(fù)合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)(控制和響應(yīng))，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)(功率級(jí)較為耐用)，頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十KHz頻率范圍內(nèi)。基于這些優(yōu)異的特性，IGBT一直廣泛使用在超過(guò)300V電壓的應(yīng)用中，模塊化的IGBT可以滿(mǎn)足更高的電流傳導(dǎo)要求，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷提高，今后將有更大的發(fā)展。

　　IGBT的結(jié)構(gòu)與特性：

　　如圖1所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為源極(即發(fā)射極E)。N基極稱(chēng)為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為柵極(即門(mén)極G)。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)(包括P+和P-區(qū)，溝道在該區(qū)域形成)，稱(chēng)為亞溝道區(qū)(Subchannel region)。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱(chēng)為漏極(即集電極C)。

　　圖1 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)

　　IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來(lái)為NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴(少子)，對(duì)N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

　　IGBT是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開(kāi)關(guān)器件，是通過(guò)在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構(gòu)成的，性能上也是結(jié)合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)。N+區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為源極(即發(fā)射極E)；P+區(qū)稱(chēng)為漏區(qū)，器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為柵極(即門(mén)極G)。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)(包括P+和P-區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)稱(chēng)為亞溝道區(qū)(Subchannel region)。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)壓降。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱(chēng)為漏極(即集電極C)。

　　圖2 IGBT的結(jié)構(gòu)

　　IGBT是由一個(gè)N溝道的MOSFET和一個(gè)PNP型GTR組成，它實(shí)際是以GTR為主導(dǎo)元件，以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的復(fù)合管。IGBT除了內(nèi)含PNP晶體管結(jié)構(gòu)，還有NPN晶體管結(jié)構(gòu)，該NPN晶體管通過(guò)將其基極與發(fā)射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關(guān)斷。IGBT的4層PNPN結(jié)構(gòu)，內(nèi)含的PNP與NPN晶體管形成了一個(gè)可控硅的結(jié)構(gòu)，有可能會(huì)造成IGBT的擎柱效應(yīng)。IGBT與MOSFET不同，內(nèi)部沒(méi)有寄生的反向二極管，因此在實(shí)際使用中(感性負(fù)載)需要搭配適當(dāng)?shù)目旎謴?fù)二極管。
　　IGBT的理想等效電路及實(shí)際等效電路如下圖所示：

　圖3 IGBT的理想等效電路及實(shí)際等效電路

　　由等效電路可將IGBT作為對(duì)PNP雙極晶體管和功率MOSFET進(jìn)行達(dá)林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。
　　因此，在門(mén)極-發(fā)射極之間外加正電壓使功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，PNP晶體管的基極-集電極就連接上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于通過(guò)在漏極上追加p+層，在導(dǎo)通狀態(tài)下，從p+層向n基極注入空穴，從而引發(fā)傳導(dǎo)性能的轉(zhuǎn)變。因此，它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻。
　　此后，使門(mén)極-發(fā)射極之間的電壓為0V時(shí)，首先功率MOSFET處于斷路狀態(tài)，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態(tài)。
　　如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過(guò)電壓信號(hào)可以控制開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)作。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）