科普IGBT這玩意兒—從名稱入手

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IGBT的英文全稱和基礎(chǔ)概念對(duì)于微電子技術(shù)猿來說，想必已經(jīng)耳熟能詳。

然而對(duì)于工作需要用到IGBT、但從未專業(yè)學(xué)習(xí)過IGBT的人來說，IGBT到底是個(gè)什么玩意兒、它為什么叫IGBT、它的核心關(guān)鍵詞是什么、要怎么理解它等一系列問題并無法一次性在某個(gè)地方獲取到，都需要查閱大量的資料，學(xué)習(xí)大量的基礎(chǔ)才能有個(gè)初步的了解。

為了讓更多的人在更少的時(shí)間內(nèi)掌握IGBT，我將在這個(gè)公眾號(hào)內(nèi)下不定時(shí)更新自己所總結(jié)的知識(shí)，盡量嘗試用最通俗易懂的語言解釋其內(nèi)部的原理，希望能夠幫助和我剛工作時(shí)一樣，對(duì)IGBT一頭霧水的小可愛們。

對(duì)于純小白來說，了解一件東西最好的方式就是從名稱入手，抽絲剝繭，逐步了解。所以我們先從IGBT的全稱說起：絕緣柵雙極性晶體管，英文全稱為Insulated GateBipolar Transistor。

主語是晶體管，修飾詞（性質(zhì)）有三個(gè)，分別是絕緣、柵、雙極性。

晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，在這里可以理解為一種利用電信號(hào)（電流/電壓）控制開關(guān)斷的開關(guān)器件，不同于機(jī)械開關(guān)，它的開關(guān)速度非?？臁?/p>

三個(gè)修飾詞“絕緣、柵、雙極性”的核心關(guān)鍵詞在**“柵極”和“雙極性”上。**

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“柵極”意味著IGBT是個(gè)電壓控制型器件，這是相比于電流型控制器件而言。

簡單來說，電壓型控制器件主要是通過控制端電壓來控制器件的開通與關(guān)斷，而電流型控制器件的開關(guān)斷則主要被控制端電流的大小控制。

電流控制型器件的共同特點(diǎn)是導(dǎo)通損耗小，所需驅(qū)動(dòng)功率小，但是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，工作頻率較低，如晶閘管、GTR等。

而電壓控制型器件的共同特點(diǎn)在于輸入阻抗高、所需驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、工作頻率高，如IGBT、MOSFET等。

此外，壓控器件在整體功耗方面也要低于流控器件。

因此，根據(jù)具體工況條件及應(yīng)用要求，不同晶體管會(huì)被應(yīng)用在不同領(lǐng)域中。

IGBT一般可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域（變頻器、UPS電源、EPS電源）、新能源發(fā)電領(lǐng)域（風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電）、新能源汽車領(lǐng)域（充電樁、電動(dòng)控制、車載空調(diào)）等，由于篇幅有限，這里就不再贅述。

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“雙極性”是相較于“單極性”而言。兩者最主要的區(qū)別在于器件工作時(shí)，移動(dòng)的電荷載流子是電子還是空穴，亦或是二者都有。

若只有一種載流子參與導(dǎo)電，則稱為單極性晶體管，如MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）、SBD（肖特基二極管）等。

若電子和空穴都參與了導(dǎo)電，則稱為雙極性晶體管，如BJT（雙極結(jié)型晶體管）、IGBT等。

兩者相對(duì)比，雙極性晶體管由于同時(shí)有電子和空穴參與導(dǎo)電，所以其關(guān)斷速度相比單極性晶體管來說更慢。

具體原因我們以今天的主角IGBT為例，通過分析IGBT在關(guān)斷過程中載流子的移動(dòng)和分布來解釋以上這點(diǎn)。

當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，p-base表面會(huì)形成導(dǎo)通溝道，電子從發(fā)射極經(jīng)n型漂移區(qū)流向集電極，而空穴將不斷地從集電極注入到n型漂移區(qū)。此時(shí)IGBT的外部表現(xiàn)為：存在負(fù)載電流，IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)。

由于該區(qū)域?qū)挾容^寬，部分空穴會(huì)在此處與電子進(jìn)行復(fù)合，其余空穴則擴(kuò)散至p-base/n漂移區(qū)結(jié)（圖中J1結(jié)），最終由發(fā)射極收集。

熟悉了IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)，我們?cè)賮砜搓P(guān)斷過程，IGBT的關(guān)斷過程可以視為兩個(gè)階段。

在第一階段中，由于溝道反型層消失，所以負(fù)載電流會(huì)快速下降。

在第二階段中，集電極-發(fā)射極電壓VCE逐漸增加，IGBT漂移區(qū)逐漸耗盡，漂移區(qū)中的剩余空穴載流子漂移至J1結(jié)，最終由發(fā)射極抽取。

當(dāng)耗盡區(qū)不再擴(kuò)展時(shí)，剩余空穴將通過與剩余電子復(fù)合消失，這個(gè)復(fù)合消失的過程就會(huì)造成IGBT的拖尾電流。

而單極性元器件由于只是一種載流子導(dǎo)電，并不存在拖尾電流，因此關(guān)斷速度會(huì)更快。

此外，由于電子和空穴的復(fù)合過程所需時(shí)間長短與載流子本身壽命有關(guān)，所以IGBT器件的關(guān)斷速度也受載流子壽命影響。

以上就是從名稱來了解IGBT器件的全部內(nèi)容，希望能對(duì)剛剛接觸到IGBT的小伙伴們有幫助。