IGBT 是什么？

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種三端功率半導體器件，它結合了雙極型晶體管（BJT）的輸出開關/導電特性和MOSFET的無限輸入電阻的優點。無限輸入電阻使其成為一種電壓控制器件。它廣泛應用于高功率應用領域，包括電機驅動、功率轉換器、逆變器和放大器。

IGBT的電路符號

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的符號通常表示如下：

在NPN型IGBT的符號中，左側的垂直線代表柵極（控制端），與柵極相鄰的平行線是基極，頂部的垂直線代表集電極。從基極區域指向外的箭頭代表發射極。

IGBT的結構

IGBT 有三個端子（集電極、發射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。IGBT結構是一個四層半導體器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現的，它們構成了 PNPN 排列。

如上圖所示，最靠近集電極區的層是 (P+) 襯底，即注入區，在它上面是 N 漂移區域，包括 N 層。注入區將大部分載流子（空穴電流）從 (P+) 注入 N- 層。

IGBT的工作模式

工作原理:

當向發射極施加正的集電極-發射極電壓VCE，同時向柵極施加正的柵極-發射極電壓VGE時，IGBT導通，集電極和發射極之間形成導通路徑，集電極電流IC流過。

將這種動作對應到等效電路時，當施加正VGE時，N溝道MOSFET導通，這會使PNP晶體管的基極電流IB流過，最終PNP晶體管導通，從而使IC從IGBT的集電極流向發射極。

截面結構圖顯示了內部電子和空穴的運動情況。當向柵極施加正VGE時，電子聚集在柵極電極正下方的P+層中并形成通道。這與MOSFET導通的原理基本相同。因此，從IGBT的發射極提供的電子沿N+層⇒通道⇒N-漂移層⇒P+集電極層的方向移動。而空穴則由P+集電極層提供給N-漂移層。該層被稱為“漂移層”，是因為電子和空穴這兩種載流子都會在此層中移動。也就是說，電子從IGBT發射極向IGBT集電極的移動意味著電流（IC）從IGBT集電極流向IGBT發射極。

導通狀態:

當柵極相對于發射極施加正電壓時，在N型漂移區域和P型基極區域之間形成一個通道。這允許電流從集電極流向發射極，類似于BJT。該通道的導電性由柵極電壓控制，從而實現對IGBT導通狀態特性的精確控制。

截止狀態:

當柵極-發射極電壓為零或負時，通道耗盡，IGBT阻斷集電極和發射極之間的電流流動。它表現出類似于MOSFET的高電壓阻斷能力。

IGBT的優點

IGBT是輸入部分為MOSFET結構、輸出部分為雙極結構的復合型器件，同時具備MOSFET和雙極晶體管兩者的優點。輸入阻抗高，可以用小功率驅動，并且可以將電流放大為大電流。此外，即使在高耐壓條件下，導通電阻 R 也可保持在較低水平。開關速度不如MOSFET快，但比雙極晶體管要快。

與其它功率器件相比，IGBT具有以下優點：

高電流和電壓處理能力：IGBT能夠處理高電流和電壓，同時提供良好的熱穩定性。

內置續流二極管：IGBT在集電極-發射極路徑上并聯了一個內置二極管（稱為“續流二極管”），這有助于在開關轉換期間的電流流動，并防止由于反向電流造成的損壞。

高功率增益：IGBT提供的功率增益比標準雙極型晶體管更高，同時結合了MOSFET的高電壓操作和低輸入損耗。

低導通電阻：IGBT的導通電阻（RON）比同等MOSFET低得多。這意味著對于給定的開關電流，雙極輸出結構上的 I²R 壓降要低得多。IGBT晶體管的正向阻斷操作與功率MOSFET相同。

Reference:

1.What is insulated Gate Bipolar Junction Transistor (IGBTs)?

2.Tech Web.

3.Development of 8-inch Key Processes for Insulated-Gate Bipolar Transistor