IGBT的构造与工作原理详解

作者：Jackie Zhao    文章来源：http://www.igbt8.com/   
1．前言
       在绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)得到大力发展以前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点；但是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺陷。双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性，虽然可以得到高耐压、大容量的元件；但是它要求的驱动电流大，控制电路非常复杂，而且交换速度不够快。
       IGBT正是作为顺应这种要求而开发的，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内。基于这些优异的特性，IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中，模块化的IGBT可以满足更高的电流传导要求，其应用领域不断提高，今后将有更大的发展。
2．IGBT构造与特性
       IGBT是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件，是通过在功率MOSFET的漏极上追加p⁺层而构成的，性能上也是结合了MOSFET和双极型功率晶体管的优点。N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态压降。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。

       IGBT是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成，它实际是以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合管。IGBT除了内含PNP晶体管结构，还有NPN晶体管结构，该NPN晶体管通过将其基极与发射极短接至MOSFET的源极金属端使之关断。IGBT的4层PNPN结构，内含的PNP与NPN晶体管形成了一个可控硅的结构，有可能会造成IGBT的擎柱效应。IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中（感性负载）需要搭配适当的快恢复二极管。
IGBT的理想等效电路及实际等效如图所示：

       由等效电路可将IGBT作为是对PNP双极晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。
       因此，在门极-发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，PNP晶体管的基极-集电极就连接上了低电阻，从而使PNP晶体管处于导通状态，由于通过在漏极上追加p⁺层，在导通状态下从p⁺层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。
       此后，使门极-发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，PNP晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。
       如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和关断动作。