绝缘栅双极晶体管的工作原理和结构

什么是绝缘栅双极晶体管？

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种功率半导体，具有MOSFET 的高速、电压相关栅极开关特性以及 BJT 的最小导通电阻（低饱和电压）特性。

图1展示了IGBT等效电路，其中双极晶体管与MOS栅极架构一起工作，而类似的IGBT电路实际上是MOS晶体管和双极晶体管的混合。

IGBT 具有快速开关速度和最小饱和电压特性，应用范围广泛，从太阳能利用装置和不间断电源 (UPS) 等商业应用到感应加热器炉灶温度控制等消费电子领域、空调设备PFC、逆变器、数码相机频闪仪。

绝缘栅双极晶体管的工作原理

IGBT集电极(C)和发射极(E)两端用于传导电流，栅极(G)用于控制IGBT。其工作原理是基于栅极-发射极端子和集电极-发射极端子之间的偏置。

集电极-发射极连接到Vcc，使得集电极保持在比发射极更正的电压。结点 j1 变为正向偏置，j2 变为反向偏置。此时，栅极上没有电压。由于 j2 反向，IGBT 保持关断状态，集电极和发射极之间不会有电流流动。

施加比发射极正的栅极电压VG ，负电荷将由于电容而在SiO 2层正下方积聚。增加 VG会增加电荷数量，当 VG 超过阈值电压时，电荷最终会在上 P 区形成一层 。该层形成N沟道，使N-漂移区和N+区短路。

来自发射极的电子从 N+ 区域流入 N- 漂移区域。而来自集电极的空穴则从P+区注入N-漂移区。由于漂移区电子和空穴过量，其电导率增加并开始传导电流。因此 IGBT 导通。

绝缘栅双极晶体管的结构

图(a)所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成)，称为亚沟道区( Subchannel region )。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子)，对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

绝缘栅双极晶体管的电路图

基于绝缘栅双极晶体管的基本结构，使用PNP和NPN晶体管、JFET、OSFET设计了一个简单的IGBT驱动电路，如下图所示。 JFET晶体管用于将NPN晶体管的集电极连接到PNP晶体管的基极。这些晶体管指示寄生晶闸管创建负反馈环路。

RB电阻指示NPN晶体管的BE端子，以确认晶闸管没有闩锁，否则会导致IGBT闩锁。晶体管表示任意两个相邻 IGBT 单元之间的电流结构。它让 MOSFE支持大部分电压。 IGBT的电路符号如下所示，包含三个端子，即发射极、栅极和集电极。