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IGBT的構造與工作原理詳解

作者:Jackie Zhao    文章來(lái)源:http://www.wllre.cn/   
1.前言
       在絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)得到大力發(fā)展以前,功率場(chǎng)效應管MOSFET被用于需要快速開(kāi)關(guān)的中低壓場(chǎng)合,晶閘管、GTO被用于中高壓領(lǐng)域。MOSFET雖然有開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn);但是,在200V或更高電壓的場(chǎng)合,MOSFET的導通電阻隨著(zhù)擊穿電壓的增加會(huì )迅速增加,使得其功耗大幅增加,存在著(zhù)不能得到高耐壓、大容量元件等的缺陷。雙極晶體管具有優(yōu)異的低正向導通壓降特性,雖然可以得到高耐壓、大容量的元件;但是它要求的驅動(dòng)電流大,控制電路非常復雜,而且交換速度不夠快。
       IGBT正是作為順應這種要求而開(kāi)發(fā)的,它是由MOSFET(輸入級)和PNP晶體管(輸出級)復合而成的一種器件,既有MOSFET器件驅動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)(控制和響應),又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)(功率級較為耐用),頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間,可正常工作于幾十KHz頻率范圍內;谶@些優(yōu)異的特性,IGBT一直廣泛使用在超過(guò)300V電壓的應用中,模塊化的IGBT可以滿(mǎn)足更高的電流傳導要求,其應用領(lǐng)域不斷提高,今后將有更大的發(fā)展。
2IGBT構造與特性
       IGBT是由MOSFET和GTR技術(shù)結合而成的復合型開(kāi)關(guān)器件,是通過(guò)在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構成的,性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)。N+區稱(chēng)為源區,附于其上的電極稱(chēng)為源極(即發(fā)射極E)。P+區稱(chēng)為漏區。器件的控制區為柵區,附于其上的電極稱(chēng)為柵極(即門(mén)極G)。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(包括P+和P-區)(溝道在該區域形成),稱(chēng)為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱(chēng)為漏注入區(Drain injector),它是IGBT特有的功能區,與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管,起發(fā)射極的作用,向漏極注入空穴,進(jìn)行導電調制,以降低器件的通態(tài)壓降。附于漏注入區上的電極稱(chēng)為漏極(即集電極C)。

MOSFET及IGBT的結構及橫截面

       IGBT是由一個(gè)N溝道的MOSFET和一個(gè)PNP型GTR組成,它實(shí)際是以GTR為主導元件,以MOSFET為驅動(dòng)元件的復合管。IGBT除了內含PNP晶體管結構,還有NPN晶體管結構,該NPN晶體管通過(guò)將其基極與發(fā)射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關(guān)斷。IGBT的4層PNPN結構,內含的PNP與NPN晶體管形成了一個(gè)可控硅的結構,有可能會(huì )造成IGBT的擎柱效應。IGBT與MOSFET不同,內部沒(méi)有寄生的反向二極管,因此在實(shí)際使用中(感性負載)需要搭配適當的快恢復二極管。
IGBT的理想等效電路及實(shí)際等效如圖所示:

 IGBT的理想等效電路及實(shí)際等效電路

       由等效電路可將IGBT作為是對PNP雙極晶體管和功率MOSFET進(jìn)行達林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。
       因此,在門(mén)極-發(fā)射極之間外加正電壓使功率MOSFET導通時(shí),PNP晶體管的基極-集電極就連接上了低電阻,從而使PNP晶體管處于導通狀態(tài),由于通過(guò)在漏極上追加p+層,在導通狀態(tài)下從p+層向n基極注入空穴,從而引發(fā)傳導性能的轉變,因此它與功率MOSFET相比,可以得到極低的通態(tài)電阻。
       此后,使門(mén)極-發(fā)射極之間的電壓為0V時(shí),首先功率MOSFET處于斷路狀態(tài),PNP晶體管的基極電流被切斷,從而處于斷路狀態(tài)。
       如上所述,IGBT和功率MOSFET一樣,通過(guò)電壓信號可以控制開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)作。

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