IGBT工作原理

簡(jiǎn)單來說，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP型晶體管，它的簡(jiǎn)化等效電路如圖(b)所示，圖中的RN為PNP晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以這種結(jié)構(gòu)的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號(hào)為N-IGBT。類似地還有P溝道IGBT，即P- IGBT。

圖（b）

IGBT是—種場(chǎng)控器件，它的開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間電壓UGE決定，當(dāng)柵射電壓UCE為正且大于開啟電壓UCE（th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，從P+區(qū)注入N-的空穴（少數(shù)載流子）對(duì)N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-區(qū)的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)柵射極間不加信號(hào)或加反向電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。由此可知，IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與MOSFET基本相同。
①當(dāng)UCE為負(fù)時(shí)：J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。
②當(dāng)uCE為正時(shí)：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)；UG>UTH，絕緣門極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā?/p>

1)導(dǎo)通

IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是JGBT增加了P+基片和一個(gè)N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個(gè)部分)，其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件（有兩個(gè)極性的器件）。基片的應(yīng)用在管體的P、和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J，結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道便形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整N-與N+之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流（MOSFET電流）；一個(gè)空穴電流（雙極）。當(dāng)UCE大于開啟電壓UCE(th），MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。

2)導(dǎo)通壓降

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，通態(tài)壓降小。所謂通態(tài)壓降，是指IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降UDS，這個(gè)電壓隨UCS上升而下降。

3)關(guān)斷

當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET的電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是閡為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少于）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形。集電極電流將引起功耗升高、交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的Tc、IC：和uCE密切相關(guān)，并且與空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。

4)反向阻斷

當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，J，就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個(gè)層面的厚度，將無法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以這個(gè)機(jī)制十分重要。另外，如果過大地增加這個(gè)區(qū)域的尺寸，就會(huì)連續(xù)地提高壓降。

5)正向阻斷

當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，J，結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)巾的耗盡層承受外部施加的電壓。

6)閂鎖

ICBT在集電極與發(fā)射極之間有—個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。具體來說，產(chǎn)生這種缺陷的原因各不相同，但與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。

文章來源：kiaic

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