絕緣柵雙極型晶體管IGBT簡介、結(jié)構(gòu)及原理

所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），是由 BJT(雙極結(jié)型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導(dǎo)體器件,其具有自關(guān)斷的特征。

簡單講，是一個非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點，如驅(qū)動功率小和飽和壓降低等。

而平時我們在實際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點。

前面介紹了Power MOSFET，而IGBT其實本質(zhì)上還是一個場效應(yīng)晶體管，從結(jié)構(gòu)上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏電極增加了一個P+層，我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實根本上來講它還是傳統(tǒng)的MOSFET，它依然是單一載流子(多子)導(dǎo)電，所以我們還沒有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來發(fā)展出一個新的結(jié) 構(gòu)，我們?nèi)绾文軌蛟赑ower MOSFET導(dǎo)通的時候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎？所以自然的就在漏端引入了一個P+的injection layer (這就是名字的由來)，而從結(jié)構(gòu)上漏端就多了一個P+/N-drift的PN結(jié)，不過他是正偏的，所以它不影響導(dǎo)通反而增加了空穴注入效應(yīng)，所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導(dǎo)電。所以原來的source就變成了Emitter，而Drain就變成了Collector了。

從上面結(jié)構(gòu)以及右邊的等效電路圖看出，它有兩個等效的BJT背靠背鏈接起來的，它其實就是PNPN的Thyristor(晶閘管)，這個東西不是我們刻意做的，而是結(jié)構(gòu)生成的。我在5個月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了，這樣的結(jié)構(gòu)最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關(guān)鍵就在于控制Rs，只要滿足α1+α2<1就可以了。

另外，這樣的結(jié)構(gòu)好處是提高了電流驅(qū)動能力，但壞處是當器件關(guān)斷時，溝道很快關(guān)斷沒有了多子電流，可是Collector (Drain)端這邊還繼續(xù)有少子空穴注入，所以整個器件的電流需要慢慢才能關(guān)閉(拖尾電流, tailing current)，影響了器件的關(guān)斷時間及工作頻率。這個可是開關(guān)器件的大忌啊，所以又引入了一個結(jié)構(gòu)在P+與N-drift之間加入N+buffer層，這一層的作用就是讓器件在關(guān)斷的時候，從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復(fù)合掉提高關(guān)斷頻率，我們稱這種結(jié)構(gòu)為PT-IGBT (Punch Through型)，而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。

一般情況下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因為NPT是正溫度系數(shù)(P+襯底較薄空穴注入較少)，而PT是負溫度系數(shù)(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導(dǎo)致的三極管基區(qū)調(diào)制效應(yīng)明顯)，而Vce(sat)決定了開關(guān)損耗(switch loss)，所以如果需要同樣的Vce(sat)，則NPT必須要增加drift厚度，所以Ron就增大了。

審核編輯：郭婷