IGBT深度解读：结构与工作原理揭秘

IGBT的结构

图1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-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。

IGBT的工作特性

1.静态特性

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

• IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs越高， Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。
  
• IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制， 其最佳值一般取为15V左右。
  
• IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为 IGBT总电流的主要部分。

此时，通态电压 Uds(on)可用下式表示：

Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

式中 Uj1 —— JI结的正向电压，其值为 0.7 ～1V ；

Udr —— 扩展电阻Rdr上的压降；

Roh —— 沟道电阻。

通态电流Ids可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中 Imos —— 流过MOSFET的电流。

由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V 。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

2.动态特性

IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)、tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。

因为IGBT栅极—发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。

国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率 IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术， 主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

IGBT的工作原理

N沟型的IGBT工作是通过栅极 — 发射极间加阀值电压VTH以上的（正）电压，在栅极电极正下方的p层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极 — 发射极间饱和电压。

在发射极电极侧形成n+pn — 寄生晶体管。若n+pn — 寄生晶体管工作，又变成 p+n — pn+晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。

为了抑制n+pn — 寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。

1.导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。

如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。

最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET 电流）、空穴电流（双极）。uGE大于开启电压 UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

2.导通压降

电导调制效应使电阻 RN 减小，使通态压降小。

3.关断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。

这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和TC有关。

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。

4.反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时，J1就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以这个机制十分重要。  另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。

5.正向阻断

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

6.闩锁

IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低， 通常还会引起器件击穿问题。

晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。

为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：

• 一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。
• 二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。

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