IGBT的構(gòu)造與工作原理詳解

作者：Jackie Zhao    文章來源：http://202243.com/   
1．前言
       在絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)得到大力發(fā)展以前，功率場效應(yīng)管MOSFET被用于需要快速開關(guān)的中低壓場合，晶閘管、GTO被用于中高壓領(lǐng)域。MOSFET雖然有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡單的優(yōu)點(diǎn)；但是，在200V或更高電壓的場合，MOSFET的導(dǎo)通電阻隨著擊穿電壓的增加會(huì)迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能得到高耐壓、大容量元件等的缺陷。雙極晶體管具有優(yōu)異的低正向?qū)�通壓降特性，雖然可以得到高耐壓、大容量的元件；但是它要求的驅(qū)動(dòng)電流大，控制電路非常復(fù)雜，而且交換速度不夠快。
       IGBT正是作為順應(yīng)這種要求而開發(fā)的，它是由MOSFET（輸入級）和PNP晶體管（輸出級）復(fù)合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的特點(diǎn)（控制和響應(yīng)），又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)（功率級較為耐用），頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十KHz頻率范圍內(nèi)�；�于這些優(yōu)異的特性，IGBT一直廣泛使用在超過300V電壓的應(yīng)用中，模塊化的IGBT可以滿足更高的電流傳導(dǎo)要求，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷提高，今后將有更大的發(fā)展。
2．IGBT構(gòu)造與特性
       IGBT是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開關(guān)器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p⁺層而構(gòu)成的，性能上也是結(jié)合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)。N+區(qū)稱為源區(qū)，附于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)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-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)壓降。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。

       IGBT是由一個(gè)N溝道的MOSFET和一個(gè)PNP型GTR組成，它實(shí)際是以GTR為主導(dǎo)元件，以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的復(fù)合管。IGBT除了內(nèi)含PNP晶體管結(jié)構(gòu)，還有NPN晶體管結(jié)構(gòu)，該NPN晶體管通過將其基極與發(fā)射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關(guān)斷。IGBT的4層PNPN結(jié)構(gòu)，內(nèi)含的PNP與NPN晶體管形成了一個(gè)可控硅的結(jié)構(gòu)，有可能會(huì)造成IGBT的擎柱效應(yīng)。IGBT與MOSFET不同，內(nèi)部沒有寄生的反向二極管，因此在實(shí)際使用中（感性負(fù)載）需要搭配適當(dāng)?shù)目旎謴?fù)二極管。
IGBT的理想等效電路及實(shí)際等效如圖所示：

       由等效電路可將IGBT作為是對PNP雙極晶體管和功率MOSFET進(jìn)行達(dá)林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。
       因此，在門極-發(fā)射極之間外加正電壓使功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，PNP晶體管的基極-集電極就連接上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于通過在漏極上追加p⁺層，在導(dǎo)通狀態(tài)下從p⁺層向n基極注入空穴，從而引發(fā)傳導(dǎo)性能的轉(zhuǎn)變，因此它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻。
       此后，使門極-發(fā)射極之間的電壓為0V時(shí)，首先功率MOSFET處于斷路狀態(tài)，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態(tài)。
       如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號(hào)可以控制開通和關(guān)斷動(dòng)作。