一、簡(jiǎn)介
IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor，是一種復(fù)合全控電壓驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件由BJT（雙極晶體管）和IGFET（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）組成。它兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。GTR的飽和電壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流更大。MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT結(jié)合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小，飽和電壓降低。非常適合用于直流電壓600V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、逆變器、開關(guān)電源、照明電路、牽引驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。
IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和FWD（續(xù)流二極管）通過特定的電路橋封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品。封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于逆變器、UPS不間斷電源等設(shè)備。IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維護(hù)方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。一般IGBT也指IGBT模塊。隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品將在市場(chǎng)上越來越普遍。IGBT是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子器件的“CPU”，廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車、新能源設(shè)備等領(lǐng)域。
ⅡIGBT的結(jié)構(gòu)
該圖顯示了一種N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)。N+區(qū)稱為源極區(qū)，其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵極區(qū)，其上的電極稱為柵極（即柵極G）。溝道形成在柵區(qū)的邊界處。C極和E極之間的P型區(qū)域稱為子通道區(qū)域。漏極區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏極注入器。它是IGBT獨(dú)有的功能區(qū)，與漏極區(qū)和子溝道區(qū)一起構(gòu)成PNP雙極晶體管。它充當(dāng)發(fā)射極，將空穴注入漏極，進(jìn)行傳導(dǎo)調(diào)制，并降低器件的通態(tài)電壓。
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IGBT的開關(guān)作用是通過加正柵電壓形成溝道，為PNP（原NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向柵壓消除溝道，切斷基極電流，就會(huì)關(guān)斷IGBT。IGBT的驅(qū)動(dòng)方式與MOSFET基本相同。它只需要控制輸入N溝道MOSFET，因此具有高輸入阻抗特性。MOSFET的溝道形成后，從P+基極向N-層注入空穴（小載流子），調(diào)制N-層的電導(dǎo)，降低N-層的電阻。因此IGBT即使在高壓下也具有較低的通態(tài)電壓。
IGBT是一種三端器件。它有柵極G、集電極c和發(fā)射極E。IGBT的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化等效電路如圖所示。
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圖中所示的簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是由GTR和MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)一部分是由MOSFET驅(qū)動(dòng)，另一部分是厚基極PNP晶體管。
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從等效電路來看，IGBT可以作為PNP雙極晶體管和功率MOSFET達(dá)林頓連接形成的單片Bi-MOS晶體管。
因此，當(dāng)在柵極和發(fā)射極之間施加正電壓以開啟功率MOSFET時(shí)，PNP晶體管的基極-集電極連接到低電阻，使得PNP晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。添加p+層，將空穴從p+層注入到處于導(dǎo)通狀態(tài)的n基極，從而觸發(fā)電導(dǎo)率的變化。因此，與功率MOSFET相比，它可以獲得極低的導(dǎo)通電阻。
之后，當(dāng)柵極和發(fā)射極之間的電壓為0V時(shí)，功率MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)，PNP晶體管的基極電流被截止，從而處于截止?fàn)顟B(tài)。
如上所述，IGBT與功率MOSFET一樣，可以通過電壓信號(hào)控制開通和關(guān)斷。
三、工作特點(diǎn)
1.靜態(tài)特性
IGBT的靜態(tài)特性主要包括伏安特性和傳輸特性。
IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參數(shù)時(shí)漏電流與柵電壓的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比由柵源電壓Ugs控制。Ugs越高，Id越大。與GTR的輸出特性類似，也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2、擊穿特性。在IGBT關(guān)斷狀態(tài)下，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果沒有N+緩沖器，正向和反向阻斷電壓可以處于同一水平。加上N+緩沖器后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏的水平，這限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。
IGBT的傳遞特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs的關(guān)系曲線。它具有與MOSFET相同的傳輸特性。當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT開通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。最大柵源電壓受最大漏極電流的限制，其最佳值一般在15V左右。
2.動(dòng)態(tài)特性
動(dòng)態(tài)特性也稱為開關(guān)特性。IGBT的開關(guān)特性分為兩部分：一是開關(guān)速度，主要指標(biāo)是開關(guān)過程各部分的時(shí)間；另一個(gè)是切換過程中的損耗。
IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流和漏源極電壓之間的關(guān)系。當(dāng)IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其B值極低，因?yàn)槠銹NP晶體管是寬基極晶體管。雖然等效電路是達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)的通態(tài)電壓Uds(on)可以用下式表示：
Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh
式中Uj1——JI結(jié)的正向電壓，其值為0.7～1V；Udr——延伸電阻Rdr上的電壓降；Roh——通道電阻。
通態(tài)電流Ids可用以下公式表示：
Ids=(1+Bpnp)加油
在公式中，Imos是流過MOSFET的電流。
由于N+區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，IGBT的通態(tài)壓降很小。耐壓為1000V的IGBT的通態(tài)壓降為2～3V。當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，只存在很小的漏電流。
在開啟過程中，IGBT大部分時(shí)間都作為MOSFET運(yùn)行。在漏源電壓Uds下降過程的后期，PNP晶體管從放大區(qū)進(jìn)入飽和，增加了延遲時(shí)間。td(on)是開啟延遲時(shí)間，tri是電流上升時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，漏極電流導(dǎo)通時(shí)間ton為td(on)tri之和，漏源電壓下降時(shí)間由tfe1和tfe2組成。
IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷需要在其柵極和基極之間加一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓，柵極電壓可以由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。在選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下參數(shù)：器件關(guān)斷偏置要求、柵極電荷要求、耐久性要求和電源條件。由于IGBT的柵發(fā)射極阻抗較大，可以采用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)。但是，由于IGBT的輸入電容比MOSFET的大，所以IGBT的關(guān)斷偏置要高于許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏置。
在IGBT關(guān)斷期間，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP三極管所儲(chǔ)存的電荷難以快速消除，導(dǎo)致漏極電流的拖尾時(shí)間較長(zhǎng)。td(off)是關(guān)斷延遲時(shí)間，trv是電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常給出的漏極電流下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)組成，漏極電流的關(guān)斷時(shí)間t(off)=td(off)+trv+t(f)。式中：td(off)與trv之和也稱為存儲(chǔ)時(shí)間。
IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵極電壓來減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨著柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約為3～4V，與MOSFET的開啟電壓相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降低于MOSFET，接近GTR，飽和壓降隨著柵極電壓的升高而減小。
正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需要。在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上。目前，高壓應(yīng)用只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。瑞士ABB等一些廠商利用軟穿通原理開發(fā)了8KVIGBT器件。德國(guó)EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已投入實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。同時(shí)，各大半導(dǎo)體廠商不斷開發(fā)高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、
四、IGBT的工作原理
1.開機(jī)
IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET非常相似。主要區(qū)別在于IGBT增加了P+襯底和N+緩沖層。其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件。襯底的應(yīng)用在管體的P+和N+區(qū)域之間創(chuàng)建了J1結(jié)。當(dāng)正柵極偏壓使柵極下方的P基區(qū)反轉(zhuǎn)時(shí)，形成N溝道。同時(shí)出現(xiàn)電子電流，電流的產(chǎn)生方式與功率MOSFET完全相同。如果該電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，J1將正向偏置。一些空穴被注入到N區(qū)并調(diào)整陰極和陽極之間的電阻率。以這種方式，減少了功率傳導(dǎo)的總損耗，并開始了第二次充電流。最終結(jié)果是在半導(dǎo)體層次結(jié)構(gòu)中暫時(shí)出現(xiàn)了兩種不同的電流拓?fù)洌弘娮恿鳎∕OSFET電流）；空穴電流（雙極）。
2.關(guān)機(jī)
當(dāng)對(duì)柵極施加負(fù)偏壓或柵極電壓低于閾值時(shí)，溝道被禁止，沒有空穴注入N區(qū)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，則集電極電流會(huì)逐漸下降。這是因?yàn)椋瑩Q相開始后，N層中仍有少量載流子（次載流子）。此剩余電流值（喚醒電流）的減少完全取決于關(guān)閉時(shí)的電荷密度。密度與幾個(gè)因素有關(guān)，例如摻雜劑的數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、層厚和溫度。少數(shù)載流子的衰減導(dǎo)致集電極電流具有特征性的尾流波形。集電極電流會(huì)導(dǎo)致以下問題：1.功耗增加；2.二極管。
由于尾流與少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，因此尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度和與IC和VCE密切相關(guān)的空穴遷移率密切相關(guān)。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，減少電流對(duì)終端設(shè)備設(shè)計(jì)的這種不良影響是可行的。
3.阻塞和鎖定
當(dāng)在集電極上施加反向電壓時(shí)，J1將受到反向偏壓的控制，耗盡層將擴(kuò)展到N區(qū)。如果該層的厚度減少太多，將無法獲得有效的阻擋能力。因此，這種機(jī)制非常重要。另一方面，如果你將這個(gè)區(qū)域的大小增加太多，它會(huì)不斷增加壓降。第二點(diǎn)清楚地解釋了為什么NPT器件的電壓降高于等效（IC和速度相同）的PT器件。
當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端施加正電壓時(shí)，P/NJ3結(jié)由反向電壓控制。此時(shí)，N漂移區(qū)的耗盡層仍承受外加電壓。
一般情況下，靜態(tài)鎖存器和動(dòng)態(tài)鎖存器的主要區(qū)別如下：
當(dāng)晶閘管都打開，靜態(tài)鎖存發(fā)生。動(dòng)態(tài)閉鎖僅在晶閘管關(guān)斷時(shí)發(fā)生。這種特殊現(xiàn)象嚴(yán)重限制了安全操作區(qū)域。為了防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，需要采取以下措施：防止NPN部分導(dǎo)通，分別改變布局和摻雜水平，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，鎖存電流對(duì)PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響。因此，它與結(jié)溫有非常密切的關(guān)系；當(dāng)結(jié)溫和增益增加時(shí)，P基區(qū)的電阻率會(huì)增加，破壞整體特性。所以，
五、IGBT的歷史
1979年，MOS柵極功率開關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)被引入世界。該器件外觀為類晶閘管結(jié)構(gòu)（PNPN四層組成），其特點(diǎn)是通過強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成V型槽柵。
1980年代初，IGBT采用了用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（DoubleDiffusionFormedMetal-Oxide-Semiconductor）工藝。當(dāng)時(shí)的硅片結(jié)構(gòu)是較厚的NPT（non-punchthrough）型設(shè)計(jì)。后來通過使用PT（punch-through）結(jié)構(gòu)方法，在參數(shù)權(quán)衡上獲得了顯著的提升。這是由于硅晶片外延技術(shù)的進(jìn)步以及為給定阻斷電壓設(shè)計(jì)的n+緩沖層的使用。在過去的幾年里，這種在PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則已經(jīng)從5微米進(jìn)步到3微米。
1990年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)回歸到IGBT的新概念，它是借用大規(guī)模集成（LSI）工藝的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種新刻蝕工藝，但仍然是punch-through（PT)型芯片結(jié)構(gòu)。在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間權(quán)衡的更重要的改進(jìn)。
穿通（PT）技術(shù)具有較高的載流子注入系數(shù)，由于需要控制少數(shù)載流子的壽命，因此其傳輸效率變差。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)基于不扼殺少數(shù)載流子壽命、傳輸效率好的特點(diǎn)，但其載流子注入系數(shù)相對(duì)較低。此外，非穿通（NPT）技術(shù)已被軟穿通（LPT）技術(shù)所取代，類似于一些人所說的“軟穿通”（SPT）或“電場(chǎng)截止”(FS)型技術(shù)，這使得“性價(jià)比”的整體效果得到了進(jìn)一步的提升。
1996年，CSTBT（載流子存儲(chǔ)溝槽柵雙極晶體管）實(shí)現(xiàn)了第五代IGBT模塊，該模塊采用弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，采用更先進(jìn)的寬單元間距設(shè)計(jì)。目前，IGBT器件的“反向阻斷型”功能或“反向傳導(dǎo)型”功能等新概念正在研究中，以進(jìn)一步優(yōu)化。
現(xiàn)在，大電流、高壓IGBT已經(jīng)模塊化，并且已經(jīng)制造了集成的專用IGBT驅(qū)動(dòng)電路。其性能更好，整機(jī)可靠性更高，體積更小。
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