UC頭條：IGBT工作原理和特性介紹

一、簡介

IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor，是一種復合全控電壓驅動功率半導體器件由BJT（雙極晶體管）和IGFET（絕緣柵場效應晶體管）組成。它兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降的優點。GTR的飽和電壓降低，載流密度大，但驅動電流更大。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結合了以上兩種器件的優點，驅動功率小，飽和電壓降低。非常適合用于直流電壓600V及以上的變流系統，如交流電機、逆變器、開關電源、照明電路、牽引驅動等領域。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和FWD（續流二極管）通過特定的電路橋封裝而成的模塊化半導體產品。封裝后的IGBT模塊直接應用于逆變器、UPS不間斷電源等設備。IGBT模塊具有節能、安裝維護方便、散熱穩定等特點。一般IGBT也指IGBT模塊。隨著節能環保等理念的推進，此類產品將在市場上越來越普遍。IGBT是能量轉換和傳輸的核心器件，俗稱電力電子器件的“CPU”，廣泛應用于軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車、新能源設備等領域。

ⅡIGBT的結構

該圖顯示了一種N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構。N+區稱為源極區，其上的電極稱為源極（即發射極E）。N基區稱為漏區。器件的控制區為柵極區，其上的電極稱為柵極（即柵極G）。溝道形成在柵區的邊界處。C極和E極之間的P型區域稱為子通道區域。漏極區另一側的P+區稱為漏極注入器。它是IGBT獨有的功能區，與漏極區和子溝道區一起構成PNP雙極晶體管。它充當發射極，將空穴注入漏極，進行傳導調制，并降低器件的通態電壓。

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IGBT的開關作用是通過加正柵電壓形成溝道，為PNP（原NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向柵壓消除溝道，切斷基極電流，就會關斷IGBT。IGBT的驅動方式與MOSFET基本相同。它只需要控制輸入N溝道MOSFET，因此具有高輸入阻抗特性。MOSFET的溝道形成后，從P+基極向N-層注入空穴（小載流子），調制N-層的電導，降低N-層的電阻。因此IGBT即使在高壓下也具有較低的通態電壓。

IGBT是一種三端器件。它有柵極G、集電極c和發射極E。IGBT的結構和簡化等效電路如圖所示。

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圖中所示的簡化等效電路表明，IGBT是由GTR和MOSFET組成的達林頓結構。這種結構一部分是由MOSFET驅動，另一部分是厚基極PNP晶體管。

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從等效電路來看，IGBT可以作為PNP雙極晶體管和功率MOSFET達林頓連接形成的單片Bi-MOS晶體管。

因此，當在柵極和發射極之間施加正電壓以開啟功率MOSFET時，PNP晶體管的基極-集電極連接到低電阻，使得PNP晶體管處于導通狀態。添加p+層，將空穴從p+層注入到處于導通狀態的n基極，從而觸發電導率的變化。因此，與功率MOSFET相比，它可以獲得極低的導通電阻。

之后，當柵極和發射極之間的電壓為0V時，功率MOSFET處于截止狀態，PNP晶體管的基極電流被截止，從而處于截止狀態。

如上所述，IGBT與功率MOSFET一樣，可以通過電壓信號控制開通和關斷。

三、工作特點

1.靜態特性

IGBT的靜態特性主要包括伏安特性和傳輸特性。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參數時漏電流與柵電壓的關系曲線。輸出漏極電流比由柵源電壓Ugs控制。Ugs越高，Id越大。與GTR的輸出特性類似，也可分為飽和區1、放大區2、擊穿特性。在IGBT關斷狀態下，正向電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果沒有N+緩沖器，正向和反向阻斷電壓可以處于同一水平。加上N+緩沖器后，反向關斷電壓只能達到幾十伏的水平，這限制了IGBT的某些應用范圍。

IGBT的傳遞特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs的關系曲線。它具有與MOSFET相同的傳輸特性。當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時，IGBT處于關斷狀態。在IGBT開通后的大部分漏極電流范圍內，Id與Ugs呈線性關系。最大柵源電壓受最大漏極電流的限制，其最佳值一般在15V左右。

2.動態特性

動態特性也稱為開關特性。IGBT的開關特性分為兩部分：一是開關速度，主要指標是開關過程各部分的時間；另一個是切換過程中的損耗。

IGBT的開關特性是指漏極電流和漏源極電壓之間的關系。當IGBT處于導通狀態時，其B值極低，因為其PNP晶體管是寬基極晶體管。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。此時的通態電壓Uds(on)可以用下式表示：

Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh

式中Uj1——JI結的正向電壓，其值為0.7～1V；Udr——延伸電阻Rdr上的電壓降；Roh——通道電阻。

通態電流Ids可用以下公式表示：

Ids=(1+Bpnp)加油

在公式中，Imos是流過MOSFET的電流。

由于N+區的電導調制效應，IGBT的通態壓降很小。耐壓為1000V的IGBT的通態壓降為2～3V。當IGBT處于關斷狀態時，只存在很小的漏電流。

在開啟過程中，IGBT大部分時間都作為MOSFET運行。在漏源電壓Uds下降過程的后期，PNP晶體管從放大區進入飽和，增加了延遲時間。td(on)是開啟延遲時間，tri是電流上升時間。在實際應用中，漏極電流導通時間ton為td(on)tri之和，漏源電壓下降時間由tfe1和tfe2組成。

IGBT的觸發和關斷需要在其柵極和基極之間加一個正電壓和一個負電壓，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：器件關斷偏置要求、柵極電荷要求、耐久性要求和電源條件。由于IGBT的柵發射極阻抗較大，可以采用MOSFET驅動技術進行觸發。但是，由于IGBT的輸入電容比MOSFET的大，所以IGBT的關斷偏置要高于許多MOSFET驅動電路提供的偏置。

在IGBT關斷期間，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，PNP三極管所儲存的電荷難以快速消除，導致漏極電流的拖尾時間較長。td(off)是關斷延遲時間，trv是電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中經常給出的漏極電流下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)組成，漏極電流的關斷時間t(off)=td(off)+trv+t(f)。式中：td(off)與trv之和也稱為存儲時間。

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT關斷時不需要負柵極電壓來減少關斷時間，但關斷時間隨著柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約為3～4V，與MOSFET的開啟電壓相當。IGBT導通時的飽和壓降低于MOSFET，接近GTR，飽和壓降隨著柵極電壓的升高而減小。

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需要。在高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上。目前，高壓應用只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現。瑞士ABB等一些廠商利用軟穿通原理開發了8KVIGBT器件。德國EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已投入實際應用，日本東芝也已涉足該領域。同時，各大半導體廠商不斷開發高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、

四、IGBT的工作原理

1.開機

IGBT硅片的結構與功率MOSFET非常相似。主要區別在于IGBT增加了P+襯底和N+緩沖層。其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。襯底的應用在管體的P+和N+區域之間創建了J1結。當正柵極偏壓使柵極下方的P基區反轉時，形成N溝道。同時出現電子電流，電流的產生方式與功率MOSFET完全相同。如果該電子流產生的電壓在0.7V范圍內，J1將正向偏置。一些空穴被注入到N區并調整陰極和陽極之間的電阻率。以這種方式，減少了功率傳導的總損耗，并開始了第二次充電流。最終結果是在半導體層次結構中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）。

2.關機

當對柵極施加負偏壓或柵極電壓低于閾值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N區。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，則集電極電流會逐漸下降。這是因為，換相開始后，N層中仍有少量載流子（次載流子）。此剩余電流值（喚醒電流）的減少完全取決于關閉時的電荷密度。密度與幾個因素有關，例如摻雜劑的數量和拓撲結構、層厚和溫度。少數載流子的衰減導致集電極電流具有特征性的尾流波形。集電極電流會導致以下問題：1.功耗增加；2.二極管。

由于尾流與少數載流子的復合有關，因此尾流的電流值應與芯片的溫度和與IC和VCE密切相關的空穴遷移率密切相關。因此，根據所達到的溫度，減少電流對終端設備設計的這種不良影響是可行的。

3.阻塞和鎖定

當在集電極上施加反向電壓時，J1將受到反向偏壓的控制，耗盡層將擴展到N區。如果該層的厚度減少太多，將無法獲得有效的阻擋能力。因此，這種機制非常重要。另一方面，如果你將這個區域的大小增加太多，它會不斷增加壓降。第二點清楚地解釋了為什么NPT器件的電壓降高于等效（IC和速度相同）的PT器件。

當柵極和發射極短接并在集電極端施加正電壓時，P/NJ3結由反向電壓控制。此時，N漂移區的耗盡層仍承受外加電壓。

一般情況下，靜態鎖存器和動態鎖存器的主要區別如下：

當晶閘管都打開，靜態鎖存發生。動態閉鎖僅在晶閘管關斷時發生。這種特殊現象嚴重限制了安全操作區域。為了防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，需要采取以下措施：防止NPN部分導通，分別改變布局和摻雜水平，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的影響。因此，它與結溫有非常密切的關系；當結溫和增益增加時，P基區的電阻率會增加，破壞整體特性。所以，

五、IGBT的歷史

1979年，MOS柵極功率開關器件作為IGBT概念的先驅被引入世界。該器件外觀為類晶閘管結構（PNPN四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成V型槽柵。

1980年代初，IGBT采用了用于功率MOSFET制造技術的DMOS（DoubleDiffusionFormedMetal-Oxide-Semiconductor）工藝。當時的硅片結構是較厚的NPT（non-punchthrough）型設計。后來通過使用PT（punch-through）結構方法，在參數權衡上獲得了顯著的提升。這是由于硅晶片外延技術的進步以及為給定阻斷電壓設計的n+緩沖層的使用。在過去的幾年里，這種在PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵極結構的設計規則已經從5微米進步到3微米。

1990年代中期，溝槽柵結構回歸到IGBT的新概念，它是借用大規模集成（LSI）工藝的硅干法刻蝕技術實現的一種新刻蝕工藝，但仍然是punch-through（PT)型芯片結構。在這種溝槽結構中，實現了通態電壓和關斷時間之間權衡的更重要的改進。

穿通（PT）技術具有較高的載流子注入系數，由于需要控制少數載流子的壽命，因此其傳輸效率變差。另一方面，非穿通（NPT）技術基于不扼殺少數載流子壽命、傳輸效率好的特點，但其載流子注入系數相對較低。此外，非穿通（NPT）技術已被軟穿通（LPT）技術所取代，類似于一些人所說的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”(FS)型技術，這使得“性價比”的整體效果得到了進一步的提升。

1996年，CSTBT（載流子存儲溝槽柵雙極晶體管）實現了第五代IGBT模塊，該模塊采用弱穿通（LPT）芯片結構，采用更先進的寬單元間距設計。目前，IGBT器件的“反向阻斷型”功能或“反向傳導型”功能等新概念正在研究中，以進一步優化。

現在，大電流、高壓IGBT已經模塊化，并且已經制造了集成的專用IGBT驅動電路。其性能更好，整機可靠性更高，體積更小。