IGBT的结构与工作原理

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)出现在20世纪80年代初期,它是由BJT(双极结型晶体管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组合而成的全控型、电压驱动型功率半导体器件。

IGBT具有高可靠性、高开关速度、高耐压、大电流、低通态压降和低功耗驱动等特性,电压等级覆盖了650~6500V,目前已成为工业领域中应用最广泛的全控型功率半导体器件。

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最早成熟的穿通型IGBT(Punch Through-IGBT,PT-IGBT)的结构可简示为一个P型衬底上的N沟道MOSFET,如图4-1a所示。PT-IGBT的集电极C在器件的底部,通过金属极板与集电区连接。IGBT的P型集电区是与P-MOSFET区别最大的功能区,具有空穴的注入作用,以减小通态电阻。为了提高IGBT的耐高压能力,出现了取消了缓冲区的非穿通型IGBT(Non Punch Through-IGBT,NPT-IGBT)。NPT-IGBT在衬底采用了先进的透明集电区技术,使通过集电极的电流以电子流为主;同时,在器件关断时,漂移区存储的过剩载流子能够透过集电区迅速流出,以快速关断。这样,NPT-IGBT兼有小的通态压降和正温度系数通态电阻的特点。

典型的IGBT采用N沟道技术,其电气图形符号如图4-1b所示。从图中可以看出,IGBT是一个三端器件,包含栅极G、集电极C和发射极E。

IGBT是一种电压型驱动器件,其开通和关断由栅射级电压UGE决定。IGBT的工作原理可以简述如下:

①当UGE大于阀值电压UTH时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。

②当栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。