IGBT 是什么？

 

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种三端功率半导体器件，它结合了双极型晶体管（BJT）的输出开关/导电特性和MOSFET的无限输入电阻的优点。无限输入电阻使其成为一种电压控制器件。它广泛应用于高功率应用领域，包括电机驱动、功率转换器、逆变器和放大器。

 

IGBT的电路符号

 

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的符号通常表示如下：

 

在NPN型IGBT的符号中，左侧的垂直线代表栅极（控制端），与栅极相邻的平行线是基极，顶部的垂直线代表集电极。从基极区域指向外的箭头代表发射极。

 

IGBT的结构

 

IGBT 有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合 PNP 和 NPN 晶体管来实现的，它们构成了 PNPN 排列。

如上图所示，最靠近集电极区的层是 (P+) 衬底，即注入区，在它上面是 N 漂移区域，包括 N 层。注入区将大部分载流子（空穴电流）从 (P+) 注入 N- 层。

 

IGBT的工作模式

 

工作原理:

 

当向发射极施加正的集电极-发射极电压VCE，同时向栅极施加正的栅极-发射极电压VGE时，IGBT导通，集电极和发射极之间形成导通路径，集电极电流IC流过。

 

将这种动作对应到等效电路时，当施加正VGE时，N沟道MOSFET导通，这会使PNP晶体管的基极电流IB流过，最终PNP晶体管导通，从而使IC从IGBT的集电极流向发射极。

 

截面结构图显示了内部电子和空穴的运动情况。当向栅极施加正VGE时，电子聚集在栅极电极正下方的P+层中并形成通道。这与MOSFET导通的原理基本相同。因此，从IGBT的发射极提供的电子沿N+层⇒通道⇒N-漂移层⇒P+集电极层的方向移动。而空穴则由P+集电极层提供给N-漂移层。该层被称为“漂移层”，是因为电子和空穴这两种载流子都会在此层中移动。也就是说，电子从IGBT发射极向IGBT集电极的移动意味着电流（IC）从IGBT集电极流向IGBT发射极。

 

导通状态:

 

当栅极相对于发射极施加正电压时，在N型漂移区域和P型基极区域之间形成一个通道。这允许电流从集电极流向发射极，类似于BJT。该通道的导电性由栅极电压控制，从而实现对IGBT导通状态特性的精确控制。

 

截止状态:

 

当栅极-发射极电压为零或负时，通道耗尽，IGBT阻断集电极和发射极之间的电流流动。它表现出类似于MOSFET的高电压阻断能力。

 

IGBT的优点

 

IGBT是输入部分为MOSFET结构、输出部分为双极结构的复合型器件，同时具备MOSFET和双极晶体管两者的优点。输入阻抗高，可以用小功率驱动，并且可以将电流放大为大电流。此外，即使在高耐压条件下，导通电阻 R 也可保持在较低水平。开关速度不如MOSFET快，但比双极晶体管要快。

 

与其它功率器件相比，IGBT具有以下优点：

 

高电流和电压处理能力：IGBT能够处理高电流和电压，同时提供良好的热稳定性。

 

内置续流二极管：IGBT在集电极-发射极路径上并联了一个内置二极管（称为“续流二极管”），这有助于在开关转换期间的电流流动，并防止由于反向电流造成的损坏。

 

高功率增益：IGBT提供的功率增益比标准双极型晶体管更高，同时结合了MOSFET的高电压操作和低输入损耗。

 

低导通电阻：IGBT的导通电阻（RON）比同等MOSFET低得多。这意味着对于给定的开关电流，双极输出结构上的 I²R 压降要低得多。IGBT晶体管的正向阻断操作与功率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

 

 

来源：十二芯座

关键词： 晶体管