絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理解析

　　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。 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。

　　IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。MOSFET由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS（on）特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE（sat）的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化 IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。

　　GBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

　?。?）IGBT的結(jié)構(gòu)

　　1.是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。

　　2.由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。

　　3.簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。

　　IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b） 簡(jiǎn)化等效電路 c） 電氣圖形符號(hào)

　　（2）IGBT的工作原理

　　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。工作時(shí)的等效電路如圖1（b）所示，IGBT的符號(hào)如圖1（c）所示。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。

　　1.IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。

　　2.其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

　　√當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE（th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。

　　√當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

　　3.電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。