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IGBT 是什么？

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種三端功率半導(dǎo)體器件，它結(jié)合了雙極型晶體管（BJT）的輸出開關(guān)/導(dǎo)電特性和MOSFET的無限輸入電阻的優(yōu)點(diǎn)。無限輸入電阻使其成為一種電壓控制器件。它廣泛應(yīng)用于高功率應(yīng)用領(lǐng)域，包括電機(jī)驅(qū)動、功率轉(zhuǎn)換器、逆變器和放大器。

IGBT的電路符號

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的符號通常表示如下：

在NPN型IGBT的符號中，左側(cè)的垂直線代表柵極（控制端），與柵極相鄰的平行線是基極，頂部的垂直線代表集電極。從基極區(qū)域指向外的箭頭代表發(fā)射極。

IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT 有三個(gè)端子（集電極、發(fā)射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。IGBT結(jié)構(gòu)是一個(gè)四層半導(dǎo)體器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實(shí)現(xiàn)的，它們構(gòu)成了 PNPN 排列。

如上圖所示，最靠近集電極區(qū)的層是 (P+) 襯底，即注入?yún)^(qū)，在它上面是 N 漂移區(qū)域，包括 N 層。注入?yún)^(qū)將大部分載流子（空穴電流）從 (P+) 注入 N- 層。

IGBT的工作模式

工作原理:

當(dāng)向發(fā)射極施加正的集電極-發(fā)射極電壓VCE，同時(shí)向柵極施加正的柵極-發(fā)射極電壓VGE時(shí)，IGBT導(dǎo)通，集電極和發(fā)射極之間形成導(dǎo)通路徑，集電極電流IC流過。

將這種動作對應(yīng)到等效電路時(shí)，當(dāng)施加正VGE時(shí)，N溝道MOSFET導(dǎo)通，這會使PNP晶體管的基極電流IB流過，最終PNP晶體管導(dǎo)通，從而使IC從IGBT的集電極流向發(fā)射極。

截面結(jié)構(gòu)圖顯示了內(nèi)部電子和空穴的運(yùn)動情況。當(dāng)向柵極施加正VGE時(shí)，電子聚集在柵極電極正下方的P+層中并形成通道。這與MOSFET導(dǎo)通的原理基本相同。因此，從IGBT的發(fā)射極提供的電子沿N+層⇒通道⇒N-漂移層⇒P+集電極層的方向移動。而空穴則由P+集電極層提供給N-漂移層。該層被稱為“漂移層”，是因?yàn)殡娮雍涂昭ㄟ@兩種載流子都會在此層中移動。也就是說，電子從IGBT發(fā)射極向IGBT集電極的移動意味著電流（IC）從IGBT集電極流向IGBT發(fā)射極。

導(dǎo)通狀態(tài):

當(dāng)柵極相對于發(fā)射極施加正電壓時(shí)，在N型漂移區(qū)域和P型基極區(qū)域之間形成一個(gè)通道。這允許電流從集電極流向發(fā)射極，類似于BJT。該通道的導(dǎo)電性由柵極電壓控制，從而實(shí)現(xiàn)對IGBT導(dǎo)通狀態(tài)特性的精確控制。

截止?fàn)顟B(tài):

當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓為零或負(fù)時(shí)，通道耗盡，IGBT阻斷集電極和發(fā)射極之間的電流流動。它表現(xiàn)出類似于MOSFET的高電壓阻斷能力。

IGBT的優(yōu)點(diǎn)

IGBT是輸入部分為MOSFET結(jié)構(gòu)、輸出部分為雙極結(jié)構(gòu)的復(fù)合型器件，同時(shí)具備MOSFET和雙極晶體管兩者的優(yōu)點(diǎn)。輸入阻抗高，可以用小功率驅(qū)動，并且可以將電流放大為大電流。此外，即使在高耐壓條件下，導(dǎo)通電阻 R 也可保持在較低水平。開關(guān)速度不如MOSFET快，但比雙極晶體管要快。

與其它功率器件相比，IGBT具有以下優(yōu)點(diǎn)：

高電流和電壓處理能力：IGBT能夠處理高電流和電壓，同時(shí)提供良好的熱穩(wěn)定性。

內(nèi)置續(xù)流二極管：IGBT在集電極-發(fā)射極路徑上并聯(lián)了一個(gè)內(nèi)置二極管（稱為“續(xù)流二極管”），這有助于在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的電流流動，并防止由于反向電流造成的損壞。

高功率增益：IGBT提供的功率增益比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更高，同時(shí)結(jié)合了MOSFET的高電壓操作和低輸入損耗。

低導(dǎo)通電阻：IGBT的導(dǎo)通電阻（RON）比同等MOSFET低得多。這意味著對于給定的開關(guān)電流，雙極輸出結(jié)構(gòu)上的 I²R 壓降要低得多。IGBT晶體管的正向阻斷操作與功率MOSFET相同。

Reference:

1.What is insulated Gate Bipolar Junction Transistor (IGBTs)?

2.Tech Web.

3.Development of 8-inch Key Processes for Insulated-Gate Bipolar Transistor