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絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛;IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。本文將介紹其的工作原理以及結(jié)構(gòu)。

1.器件介紹

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。多使用在工業(yè)用電機(jī)、民用小容量電機(jī)、變換器(逆變器)、照相機(jī)的頻閃觀測(cè)器、感應(yīng)加熱(InductionHeating)電飯鍋等領(lǐng)域。根據(jù)封裝的不同，IGBT大致分為兩種類(lèi)型，一種是模壓樹(shù)脂密封的三端單體封裝型，從TO-3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD (FleeWheelDiode)成對(duì)地(2或6組)封裝起來(lái)的模塊型，主要應(yīng)用在工業(yè)上。模塊的類(lèi)型根據(jù)用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。

絕緣柵雙極晶體管

2.工作原理

N溝型的 IGBT工作是通過(guò)柵極-發(fā)射極間加閥值電壓VTH以上的(正)電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層(溝道)，開(kāi)始從發(fā)射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底p+層開(kāi)始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制(雙極工作)，所以可以降低集電極-發(fā)射極間飽和電壓。在發(fā)射極電極側(cè)形成n+pn-寄生晶體管。若n+pn-寄生晶體管工作，又變成p+n- pn+晶閘管。電流繼續(xù)流動(dòng)，直到輸出側(cè)停止供給電流。通過(guò)輸出信號(hào)已不能進(jìn)行控制。一般將這種狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。

為了抑制n+pn-寄生晶體管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體管的電流放大系數(shù)α作為解決閉鎖的措施。具體地來(lái)說(shuō)，p+n-p的電流放大系數(shù)α設(shè)計(jì)為0.5以下。 IGBT的閉鎖電流IL為額定電流(直流)的3倍以上。IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定。

3.結(jié)構(gòu)

圖1(a)所示為一個(gè)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)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。

IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以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 一層的空穴(少子)，對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

圖1 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)

本文總結(jié)了絕緣柵雙極型晶體管的原理與結(jié)構(gòu)。IGBT適用于較大的阻斷電壓。在為了提高擊穿電壓而讓漂移區(qū)的電阻率和厚度增加時(shí)，MOSFET的通態(tài)電阻將會(huì)顯著增大。正因?yàn)槿绱?，火電流、高阻斷電壓的功率MOSFET通常是很難發(fā)展的。相反，對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，其漂移區(qū)的電阻由于高濃度的少數(shù)載流子的注入而急劇下降，這樣IGBT的漂移區(qū)的正向壓降變得和IGBT本身的厚度相關(guān)，但和原有的電阻率無(wú)關(guān)。