絕緣柵雙極晶體管的工作原理和結(jié)構(gòu)

什么是絕緣柵雙極晶體管？

絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種功率半導(dǎo)體，具有MOSFET 的高速、電壓相關(guān)柵極開關(guān)特性以及 BJT 的最小導(dǎo)通電阻（低飽和電壓）特性。

圖1展示了IGBT等效電路，其中雙極晶體管與MOS柵極架構(gòu)一起工作，而類似的IGBT電路實(shí)際上是MOS晶體管和雙極晶體管的混合。

IGBT 具有快速開關(guān)速度和最小飽和電壓特性，應(yīng)用范圍廣泛，從太陽(yáng)能利用裝置和不間斷電源 (UPS) 等商業(yè)應(yīng)用到感應(yīng)加熱器爐灶溫度控制等消費(fèi)電子領(lǐng)域、空調(diào)設(shè)備PFC、逆變器、數(shù)碼相機(jī)頻閃儀。

絕緣柵雙極晶體管的工作原理

IGBT集電極(C)和發(fā)射極(E)兩端用于傳導(dǎo)電流，柵極(G)用于控制IGBT。其工作原理是基于柵極-發(fā)射極端子和集電極-發(fā)射極端子之間的偏置。

集電極-發(fā)射極連接到Vcc，使得集電極保持在比發(fā)射極更正的電壓。結(jié)點(diǎn) j1 變?yōu)檎蚱茫琷2 變?yōu)榉聪蚱?。此時(shí)，柵極上沒有電壓。由于 j2 反向，IGBT 保持關(guān)斷狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間不會(huì)有電流流動(dòng)。

施加比發(fā)射極正的柵極電壓VG ，負(fù)電荷將由于電容而在SiO 2層正下方積聚。增加 VG會(huì)增加電荷數(shù)量，當(dāng) VG 超過閾值電壓時(shí)，電荷最終會(huì)在上 P 區(qū)形成一層 。該層形成N溝道，使N-漂移區(qū)和N+區(qū)短路。

來自發(fā)射極的電子從 N+ 區(qū)域流入 N- 漂移區(qū)域。而來自集電極的空穴則從P+區(qū)注入N-漂移區(qū)。由于漂移區(qū)電子和空穴過量，其電導(dǎo)率增加并開始傳導(dǎo)電流。因此 IGBT 導(dǎo)通。

絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)

圖(a)所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。

IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子)，對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

絕緣柵雙極晶體管的電路圖

基于絕緣柵雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu)，使用PNP和NPN晶體管、JFET、OSFET設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，如下圖所示。 JFET晶體管用于將NPN晶體管的集電極連接到PNP晶體管的基極。這些晶體管指示寄生晶閘管創(chuàng)建負(fù)反饋環(huán)路。

RB電阻指示NPN晶體管的BE端子，以確認(rèn)晶閘管沒有閂鎖，否則會(huì)導(dǎo)致IGBT閂鎖。晶體管表示任意兩個(gè)相鄰 IGBT 單元之間的電流結(jié)構(gòu)。它讓 MOSFE支持大部分電壓。 IGBT的電路符號(hào)如下所示，包含三個(gè)端子，即發(fā)射極、柵極和集電極。