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          IGBT的构造与工作原理详解

          作者:Jackie Zhao    文章来源:http://www.minaco-uk.com/   
          1.前言
                 在绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)得到大力发展以前,功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合,晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点;但是,在200V或更高电压的场合,MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加,使得其功耗大幅增加,存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺陷。双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性,虽然可以得到高耐压、大容量的元件;但是它要求的驱动电流大,控制电路非常复杂,而且交换速度不够快。
                 IGBT正是作为顺应这种要求而开发的,它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器件,既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点(控制和响应),又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点(功率级较为耐用),频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十KHz频率范围内。基于这些优异的特性,IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中,模块化的IGBT可以满足更高的电流传导要求,其应用领域不断提高,今后将有更大的发展。
          2IGBT构造与特性
                 IGBT是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件,是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的,性能上也是结合了MOSFET和双极型功率晶体管的优点。N+区称为源区,附于其上的电极称为源极(即发射极E)。P+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(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的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,以降低器件的通态压降。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。

          MOSFET及IGBT的结构及横截面

                 IGBT是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成,它实际是以GTR为主导元件,以MOSFET为驱动元件的复合管。IGBT除了内含PNP晶体管结构,还有NPN晶体管结构,该NPN晶体管通过将其基极与发射极短接至MOSFET的源极金属端使之关断。IGBT的4层PNPN结构,内含的PNP与NPN晶体管形成了一个可控硅的结构,有可能会造成IGBT的擎柱效应。IGBT与MOSFET不同,内部没有寄生的反向二极管,因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。
          IGBT的理想等效电路及实际等效如图所示:

           IGBT的理想等效电路及实际等效电路

                 由等效电路可将IGBT作为是对PNP双极晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。
                 因此,在门极-发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时,PNP晶体管的基极-集电极就连接上了低电阻,从而使PNP晶体管处于导通状态,由于通过在漏极上追加p+层,在导通状态下从p+层向n基极注入空穴,从而引发传导性能的转变,因此它与功率MOSFET相比,可以得到极低的通态电阻。
                 此后,使门极-发射极之间的电压为0V时,首先功率MOSFET处于断路状态,PNP晶体管的基极电流被切断,从而处于断路状态。
                 如上所述,IGBT和功率MOSFET一样,通过电压信号可以控制开通和关断动作。

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