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(fù)合型全控壓驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件，具有MOSFET輸入阻抗高、GTR導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和電壓降低，載流密度高，但驅(qū)動(dòng)電流大；MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。

　　IGBT結(jié)合了上述兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，具有低驅(qū)動(dòng)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(tǒng)，如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

　　存在在IGBT大力發(fā)展之前，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET用于需要快速開關(guān)的中低壓場(chǎng)合，晶閘管和GTO用于中高壓領(lǐng)域。雖然MOSFET具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；但在200V或更高電壓的情況下，MOSFET的導(dǎo)通電阻會(huì)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?qū)▔航档膬?yōu)良特性。雖然可以獲得耐壓高、容量大的元件，但需要驅(qū)動(dòng)電流大、控制電路復(fù)雜、開關(guān)速度低。

　　IGBT就是為了滿足這一要求而開發(fā)的。它是由MOSFET(輸入級(jí))和PNP晶體管(輸出級(jí))組成的器件。具有MOSFET驅(qū)動(dòng)功率低，開關(guān)速度(控制和響應(yīng))快，雙極器件容量大(功率級(jí)耐用)的特點(diǎn)。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(nèi)正常工作?；谶@些優(yōu)異的特性，IGBT在電壓超過300V V的應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，模塊化IGBT可以滿足更高的電流傳導(dǎo)要求，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷完善，未來會(huì)有更大的發(fā)展。

　　IGBT的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；

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

　　存在C和E之間的P型區(qū)(包括形成溝道的P+和P-區(qū))稱為子溝道區(qū)。漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)，是IGBT特有的功能區(qū)。它與漏極區(qū)和子溝道區(qū)一起構(gòu)成PNP雙極晶體管，作為發(fā)射極，向漏極注入空穴并進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附著于漏極注入?yún)^(qū)的電極稱為漏極(即集電極C)。

　　IGBT的開關(guān)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(dǎo)通。相反，增加反向柵極電壓以消除溝道，切斷基極電流并關(guān)閉IGBT。

　　IGBT的驅(qū)動(dòng)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(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N層的空穴(少數(shù)載流子)中，調(diào)制N層的電導(dǎo)，降低N層的電阻，使IGBT在高電壓下具有較低的通態(tài)電壓。

　　IGBT是一種結(jié)合了MOSFET和GTR技術(shù)的復(fù)合開關(guān)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(jié)合了MOSFET和雙極功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)。N+區(qū)稱為源區(qū)，附著其上的電極稱為源極(即發(fā)射極e)；P+區(qū)稱為漏區(qū)，器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附著其上的電極稱為柵極(即柵極G)。

　　溝道形成在柵極區(qū)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(qū)(包括P+和P-區(qū))稱為子溝道區(qū)。漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)，是IGBT特有的功能區(qū)。它與漏極區(qū)和子溝道區(qū)一起構(gòu)成PNP雙極晶體管，作為發(fā)射極，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，降低器件的通態(tài)壓降。附著于漏極注入?yún)^(qū)的電極稱為漏極(即集電極C)。

　　IGBT由一個(gè)N溝道MOSFET和一個(gè)PNP GTR組成，實(shí)際上是一個(gè)以GTR為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的復(fù)合管。除了PNP晶體管結(jié)構(gòu)，IGBT還有NPN晶體管結(jié)構(gòu)，通過將其基極和發(fā)射極連接到MOSFET的源極金屬端來關(guān)斷。

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

　　IGBT的理想等效電路和實(shí)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(dá)林頓連接形成的單片Bi-MOS晶體管。

　　因此，在大門口-當(dāng)在發(fā)射極之間施加正電壓以導(dǎo)通功率MOSFET時(shí)，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(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)槁O增加了p+層，所以在導(dǎo)通狀態(tài)下，空穴從p+層注入到N基極，這導(dǎo)致了導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)變。因此，與功率MOSFET相比，它可以獲得非常低的導(dǎo)通電阻

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

　　如上所述，像功率MOSFET一樣，IGBT可以通過電壓信號(hào)控制開關(guān)動(dòng)作。

　　IGBT的工作特點(diǎn):

　　1.靜態(tài)特性

　　IGBT的靜態(tài)特性主要包括伏安特性、傳遞特性和開關(guān)特性。

　　IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參數(shù)變量時(shí)，漏電流與柵電壓的關(guān)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(gè)部分:飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性。

　　在切斷狀態(tài)下IGBT和直流電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果沒有N+緩沖，正向和反向阻斷電壓可以是一個(gè)級(jí)別，而加入N+緩沖后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏，從而限制了IGBT的一些應(yīng)用范圍。

　　IGBT的轉(zhuǎn)移特性指的是輸出漏極電流Id和柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它具有與MOSFET相同的傳輸特性。當(dāng)柵源電壓小于導(dǎo)通電壓Ugs(th)時(shí)，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)。在IGBT開啟后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id和Ugs之間的關(guān)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(guān)特性指的是漏電流和漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT導(dǎo)通時(shí)，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(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)電壓Uds(on)可以由下面的公式表示:

　　Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

　　公式uj1——Ji結(jié)的直流電壓，取值為0.7 ~ 1Vudr-擴(kuò)展電阻Rdr兩端的電壓降；Roh通道電阻。

　　導(dǎo)通電流id可以用下面的公式表示:

　　Ids=(1+Bpnp)Imos

　　公式imos-流經(jīng)MOSFET的電流。

　　因?yàn)?/strong>N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降較小，耐壓1000V的IGBT的通態(tài)壓降為2 ~ 3 V..當(dāng)IGBT斷開時(shí)，只有很小的漏電流存在。

　　1動(dòng)態(tài)特征

　　在IGBT的導(dǎo)通過程中，IGBT大部分時(shí)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(qū)變?yōu)轱柡停@又增加了一個(gè)延遲時(shí)間。Td(on)是開啟延遲時(shí)間，tri是電流上升時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，漏電流導(dǎo)通時(shí)間ton是td (on) tri之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1和tfe2組成。

　　IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷需要在其柵極和基極之間加上直流電壓和負(fù)電壓，柵極電壓可以由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。在選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下參數(shù):器件關(guān)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(fā)射極阻抗較大，可以用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)觸發(fā)，但由于IGBT的輸入電容大于MOSFET，所以IGBT的關(guān)斷偏置應(yīng)該高于很多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的關(guān)斷偏置。

　　IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT關(guān)斷時(shí)，不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨著柵發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的導(dǎo)通電壓約為3 ~ 4 V，與MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)，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(yīng)用和快速終端設(shè)備。因?yàn)樾枰礃O-漏極溝道來實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓BVDSS，但是該溝道具有高電阻率，這導(dǎo)致功率MOSFET具有高RDS(on)值。IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。

　　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(dǎo)通損耗仍遠(yuǎn)高于IGBT技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)雙極性器件相比，更低的壓降、轉(zhuǎn)換為低VCE(sat)的能力以及IGBT的結(jié)構(gòu)可以支持更高的電流密度，并簡(jiǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。

　　N溝道IGBT通過在柵極和發(fā)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(fā)射極電極下方的N層注入電子來工作。這個(gè)電子是p+n-p晶體管的少數(shù)載流子，它從集電極襯底的p+層流入空穴進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制(雙極操作)，因此可以降低集電極和發(fā)射極之間的飽和電壓。

　　工作時(shí)的等效電路如圖所示。1(b)，IGBT的符號(hào)如圖1(c)所示。在發(fā)射極電極側(cè)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(gè)p+n- pn+晶閘管。電流繼續(xù)流動(dòng)，直到輸出端停止提供電流。不再可能通過輸出信號(hào)進(jìn)行控制。這種狀態(tài)通常被稱為鎖定狀態(tài)。

　　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(shù)α的措施來解決閂鎖問題。具體地，p+n-p的電流放大系數(shù)α被設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)原理與功率MOSFET基本相同，開關(guān)由柵發(fā)射極電壓uGE決定。

　　導(dǎo)通

　　IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET非常相似。主要區(qū)別是IGBT增加了一個(gè)P+襯底和一個(gè)N+緩沖層(這部分在NPT-非穿通IGBT技術(shù)中是沒有增加的)，其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件。襯底的應(yīng)用在管的P+和N+區(qū)域之間產(chǎn)生了J1結(jié)。

　　當(dāng)正柵極偏壓反轉(zhuǎn)柵極底部時(shí)在P-基極區(qū)域中，形成N-溝道，同時(shí)出現(xiàn)電子流，并且完全以功率MOSFET的方式產(chǎn)生電流。如果這種電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V的范圍內(nèi)，那么J1將處于正向偏置，一些空穴將被注入N區(qū)，陽極和陰極之間的電阻率將被調(diào)節(jié)，這降低了功率傳導(dǎo)的總損耗，并開始第二次電荷流。

　　因此，在半導(dǎo)體層面暫時(shí)出現(xiàn)了兩種不同的電流拓?fù)?電子流。(MOSFET電流)；空穴電流(雙極性)。當(dāng)uGE大于導(dǎo)通電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET中形成一個(gè)溝道為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。

　　開啟電壓降

　　電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN降低，使通態(tài)壓降變小。

　　栓

　　當(dāng)向柵極施加負(fù)偏置電壓或者柵極電壓低于閾值時(shí)，溝道被禁止，并且沒有空穴注入。在z-地區(qū)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流將逐漸降低，因?yàn)樵趽Q向開始后，N層中仍有少數(shù)載流子(少數(shù)載流子)。

　　這個(gè)剩余電流值(尾流)的減小完全取決于關(guān)斷時(shí)的電荷密度，而密度與幾個(gè)因素有關(guān)，比如摻雜劑的量和拓?fù)?、層厚和溫度。少?shù)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?zhèn)鲗?dǎo)的問題更加明顯，尤其是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備中。

　　因?yàn)槲擦髋c少數(shù)載流子復(fù)合有關(guān)，所以尾流的電流值應(yīng)該與芯片的溫度有關(guān)。集成電路的空穴遷移率與VCE密切相關(guān)。因此，根據(jù)達(dá)到的溫度，減少電流作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的不良影響是可行的，尾流特性與VCE、IC和TC有關(guān)。

　　當(dāng)在柵極和發(fā)射極之間施加背壓或者沒有施加信號(hào)時(shí)，MOSFET中的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)閉。

　　反向阻斷

　　當(dāng)反向電壓施加到集電極時(shí)，J1將由反向偏置控制，耗盡層將擴(kuò)展到N區(qū)。因?yàn)檫@一層的厚度減少太多，將不會(huì)獲得有效的阻擋能力，所以這一機(jī)制非常重要。另一方面，如果該區(qū)域的尺寸過度增加，壓降將持續(xù)增加。

　　正向阻斷

　　當(dāng)柵極和發(fā)射極短路并且向集電極端子施加正電壓時(shí)，P/NJ3結(jié)由反向電壓控制。此時(shí)，承受外加電壓的仍然是N漂移區(qū)中的耗盡層。

　　門閂

　　IGBT在集電極和發(fā)射極之間有一個(gè)寄生的PNPN晶閘管。在特殊情況下，這個(gè)寄生裝置會(huì)開啟。這種現(xiàn)象會(huì)增加集電極和發(fā)射極之間的電流，降低等效MOSFET的控制能力，通常會(huì)造成器件擊穿。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)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(shè)備的狀態(tài)密切相關(guān)。一般來說，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閂鎖有以下主要區(qū)別:

　　動(dòng)態(tài)閂鎖僅在斷電時(shí)發(fā)生。這種特殊現(xiàn)象嚴(yán)重限制了安全操作區(qū)域。

　　為了防止寄生現(xiàn)象對(duì)于NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，需要采取以下措施:一是防止NPN部分導(dǎo)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(duì)PNP和NPN器件的電流增益有一定影響，因此也與結(jié)溫密切相關(guān)。隨著結(jié)溫和增益的增加，P基區(qū)的電阻率會(huì)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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