為什么說(shuō)IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件？它們有何區(qū)別和聯(lián)系？

引用:IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極性三極管)和MOSFET(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。

上次從IGBT的名稱(chēng)入手，搞清楚了IGBT柵極和雙極性所包含的背后意義。這次我們從IGBT的定義出發(fā)，來(lái)看看為什么說(shuō)IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件？它們之間有什么區(qū)別和聯(lián)系？在應(yīng)用的時(shí)候，什么時(shí)候能選擇IGBT、什么時(shí)候選擇BJT、什么時(shí)候又選擇MOSFET管呢？乍看這么多問(wèn)題好像很頭痛，其實(shí)很簡(jiǎn)單，我們一步一步來(lái)。

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為什么說(shuō)IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件？

要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之間的關(guān)系，就必須對(duì)這三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理有大致的了解，下面我將用最簡(jiǎn)單易懂的語(yǔ)言來(lái)為大家逐一講解。

BJT：

雙極性晶體管，俗稱(chēng)三極管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以PNP型BJT為例）如下圖所示。

如同上節(jié)講的，雙極性即意味著器件內(nèi)部有空穴和電子兩種載流子參與導(dǎo)電，BJT既然叫雙極性晶體管，那其內(nèi)部也必然有空穴和載流子，理解這兩種載流子的運(yùn)動(dòng)是理解BJT工作原理的關(guān)鍵。

由于圖中 e（發(fā)射極）的P區(qū)空穴濃度要大于b（基極）的N區(qū)空穴濃度，因此會(huì)發(fā)生空穴的擴(kuò)散，即空穴從P區(qū)擴(kuò)散至N區(qū)。同理，e（發(fā)射極）的P區(qū)電子濃度要小于b（基極）的N區(qū)電子濃度，所以電子也會(huì)發(fā)生從N區(qū)到P區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

這種運(yùn)動(dòng)最終會(huì)造成在發(fā)射結(jié)上出現(xiàn)一個(gè)從N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，即內(nèi)建電場(chǎng)。該電場(chǎng)會(huì)阻止P區(qū)空穴繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。倘若我們?cè)诎l(fā)射結(jié)添加一個(gè)正偏電壓（p正n負(fù)），來(lái)減弱內(nèi)建電場(chǎng)的作用，就能使得空穴能繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散。

擴(kuò)散至N區(qū)的空穴一部分與N區(qū)的多數(shù)載流子——電子發(fā)生復(fù)合，另一部分在集電結(jié)反偏（p負(fù)n正）的條件下通過(guò)漂移抵達(dá)集電極，形成集電極電流。

值得注意的是， N區(qū)本身的電子在被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合之后，并不會(huì)出現(xiàn)N區(qū)電子不夠的情況，因?yàn)閎電極（基極）會(huì)提供源源不斷的電子以保證上述過(guò)程能夠持續(xù)進(jìn)行。 這部分的理解對(duì)后面了解IGBT與BJT的關(guān)系有很大幫助。

MOSFET：

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效晶體管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以N-MOSFET為例）如下圖所示。

在P型半導(dǎo)體襯底上制作兩個(gè)N+區(qū)，一個(gè)稱(chēng)為源區(qū)，一個(gè)稱(chēng)為漏區(qū)。漏、源之間是橫向距離溝道區(qū)。在溝道區(qū)的表面上，有一層由熱氧化生成的氧化層作為介質(zhì)，稱(chēng)為絕緣柵。在源區(qū)、漏區(qū)和絕緣柵上蒸發(fā)一層鋁作為引出電極，就是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

上節(jié)我們提到過(guò)一句，MOSFET管是壓控器件，它的導(dǎo)通關(guān)斷受到柵極電壓的控制。我們從圖上觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)N-MOSFET管的源極S和漏極D之間存在兩個(gè)背靠背的pn結(jié)，當(dāng)柵極-源極電壓VGS不加電壓時(shí)，不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓，總有一個(gè)pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，器件無(wú)法導(dǎo)通。

但如果VGS正向足夠大，此時(shí)柵極G和襯底p之間的絕緣層中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，方向從柵極指向襯底，電子在該電場(chǎng)的作用下聚集在柵氧下表面，形成一個(gè)N型薄層(一般為幾個(gè)nm)，連通左右兩個(gè)N+區(qū)，形成導(dǎo)通溝道，如圖中黃色區(qū)域所示。當(dāng)V DS ＞0V時(shí)，N-MOSFET管導(dǎo)通，器件工作。

了解完以PNP為例的BJT結(jié)構(gòu)和以N-MOSFET為例的MOSFET結(jié)構(gòu)之后，我們?cè)賮?lái)看IGBT的結(jié)構(gòu)圖↓

黃色色塊表示IGBT導(dǎo)通時(shí)形成的溝道。

首先看黃色虛線(xiàn)部分，細(xì)看之下是不是有一絲熟悉之感？

這部分結(jié)構(gòu)和工作原理實(shí)質(zhì)上和上述的N-MOSFET是一樣的 。當(dāng)V GE >0V，V CE >0V時(shí)，IGBT表面同樣會(huì)形成溝道，電子從n區(qū)出發(fā)、流經(jīng)溝道區(qū)、注入n漂移區(qū)，n漂移區(qū)就類(lèi)似于N-MOSFET的漏極。

藍(lán)色虛線(xiàn)部分同理于BJT結(jié)構(gòu)，流入n漂移區(qū)的電子為PNP晶體管的n區(qū)持續(xù)提供電子，這就保證了PNP晶體管的基極電流。 我們給它外加正向偏壓V CE ，使PNP正向?qū)?，IGBT器件正常工作。

這就是定義中為什么說(shuō)IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件的原因。

此外，圖中我還標(biāo)了一個(gè)紅色部分，這部分在定義當(dāng)中沒(méi)有被提及的原因在于它實(shí)際上是個(gè)npnp的寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)是個(gè)不希望存在的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧纳чl管在一定的條件下會(huì)發(fā)生閂鎖，讓IGBT失去柵控能力，這樣IGBT將無(wú)法自行關(guān)斷，從而導(dǎo)致IGBT的損壞。具體原理在這里暫時(shí)不講，后續(xù)再為大家更新。

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IGBT和BJT、MOSFET之間的因果故事

BJT出現(xiàn)在MOSFET之前，而MOSFET出現(xiàn)在IGBT之前，所以我們從中間者M(jìn)OSFET的出現(xiàn)來(lái)闡述三者的因果故事。

MOSFET的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)30年代初。德國(guó)科學(xué)家Lilienfeld于1930年提出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管概念吸引了許多該領(lǐng)域科學(xué)家的興趣，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Bardeem和Brattain在1947年的一次場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)明嘗試中，意外發(fā)明了電接觸雙極晶體管（BJT）。

兩年后，同樣來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室的Shockley用少子注入理論闡明了BJT的工作原理，并提出了可實(shí)用化的結(jié)型晶體管概念。

1960年，埃及科學(xué)家Attala及韓裔科學(xué)家Kahng在用二氧化硅改善BJT性能的過(guò)程中意外發(fā)明了MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管，此后MOSFET正式進(jìn)入功率半導(dǎo)體行業(yè)，并逐漸成為其中一大主力。

**發(fā)展到現(xiàn)在，**MOSFET主要應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合如電腦功率電源、家用電器等，具有門(mén)極輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、電流關(guān)斷能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

隨著下游應(yīng)用發(fā)展越來(lái)越快，MOSFET的電流能力顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。為了在保留MOSFET優(yōu)點(diǎn)的前提下降低器件的導(dǎo)通電阻，人們?cè)?jīng)嘗試通過(guò)提高M(jìn)OSFET襯底的摻雜濃度以降低導(dǎo)通電阻，但襯底摻雜的提高會(huì)降低器件的耐壓。這顯然不是理想的改進(jìn)辦法。

但是如果在MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入一個(gè)雙極型BJT結(jié)構(gòu)，就不僅能夠保留MOSFET原有優(yōu)點(diǎn)，還可以通過(guò)BJT結(jié)構(gòu)的少數(shù)載流子注入效應(yīng)對(duì)n漂移區(qū)的電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，從而有效降低n漂移區(qū)的電阻率，提高器件的電流能力。

經(jīng)過(guò)后續(xù)不斷的改進(jìn)， 目前IGBT已經(jīng)能夠覆蓋從600V—6500V的電壓范圍，應(yīng)用涵蓋從工業(yè)電源、變頻器、新能源汽車(chē)、新能源發(fā)電到軌道交通、國(guó)家電網(wǎng)等一系列領(lǐng)域。 IGBT憑借其高輸入阻抗、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)在龐大的功率器件世界中贏得了自己的一片領(lǐng)域。

總體來(lái)說(shuō)，BJT、MOSFET、IGBT三者的關(guān)系就像下面這匹馬

更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，這三者雖然在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，但并非是完全替代的關(guān)系，三者在功率器件市場(chǎng)都各有所長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域也不完全重合。因此，在時(shí)間上可以將其看做祖孫三代的關(guān)系，但在技術(shù)、應(yīng)用等方面更像是并列關(guān)系。