什么是絕緣柵極雙極性晶體管

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)本質上是一個場效應晶體管,只是在漏極和漏區之間多了一個P型層.根據國際電工委員會IEC/TC(CO)1339文件建議,其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名。

下圖為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構,N+區稱為源區,附于其上的電極稱為源極.N+區稱為漏區.器件的控制區為柵區,附于其上的電極稱為柵極.溝道在緊靠柵區邊界形成.在漏,源之間的P型區(包括P+和P一區)(溝道在該區域形成),稱為亞溝道區(Subchannelregion).而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Draininjector),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,起發射極的作用,向漏極注入空穴,進行導電調制,以降低器件的通態電壓.附于漏注入區上的電極稱為漏極.為了兼顧長期以來人們的習慣,IEC規定:源極引出的電極端子(含電極端)稱為發射極端(子),漏極引出的電極端(子)稱為集電極端(子)。

正是由于IGBT是在N溝道MOSFET的N+基板上加一層P+基板,形成了四層結構,由PNP-NPN晶體管構成IGBT.但是,NPN晶體管和發射極由于鋁電極短路,設計時盡可能使NPN不起作用.所以說,IGBT的基本工作與NPN晶體管無關,可以認為是將N溝道MOSFET作為輸入極,PNP晶體管作為輸出極的單向達林頓管.采取這樣的結構可在N一層作電導率調制,提高電流密度。

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP晶體管提供基極電流,使IGBT導通.反之,加反向柵極電壓消除溝道,流過反向基極電流,使IGBT關斷.IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同,只需控制輸入極N溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性.當MOSFET的溝道形成后,從P+基極注入到N一層的空穴(少子),對N一層進行電導調制,減小N一層的電阻,使IGBT在高電壓時,也具有低的通態電壓。

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor:絕緣柵雙極晶體管）作為新型電力半導體場控自關斷器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡單，耐高壓，承受電流大等特性，在各種電力變換中獲得極廣泛的應用。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、低成本技術，主要采用1ｕm以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。

IGBT的工作特性包括靜態和動態兩類：

1．靜態特性IGBT的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似．也可分為飽和區1、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應用范圍。

IGBT的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時，IGBT處于關斷狀態。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內，Id與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態時，由于它的PNP晶體管為寬基區晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on)可用下式表示

Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh（2－14）

式中Uj1——JI結的正向電壓，其值為0.7～IV；

Udr——擴展電阻Rdr上的壓降；

Roh——溝道電阻。

通態電流Ids可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos——流過MOSFET的電流。

由于N+區存在電導調制效應，所以IGBT的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT通態壓降為2～3V。

IGBT處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。

2．動態特性IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓Uds下降過程后期，PNP晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成，如圖所示。

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。這種器件表現為一個類晶閘管的結構（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

80年代初期，用于功率MOSFET制造技術的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體）工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個時候，硅芯片的結構是一種較厚的NPT（非穿通）型設計。后來，通過采用PT（穿通）型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的[3]。幾年當中，這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結構，其設計規則從5微米先進到3微米。

90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結構。[4]在這種溝槽結構中，實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。

硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是采用非穿通（NPT）結構，繼而變化成弱穿通（LPT）結構，這就使安全工作區（SOA）得到同表面柵結構演變類似的改善。

這次從穿通（PT）型技術先進到非穿通（NPT）型技術，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術會有比較高的載流子注入系數，而由于它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術又被軟穿通（LPT）技術所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。

1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片結構，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向導通型”（逆導型）功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優化。

IGBT功率模塊采用IC驅動，各種驅動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術，從復合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發展，其產品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統效率，現已開發成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發展熱點。

現在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已制造出集成化的IGBT專用驅動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

根據前面描述的IGBT的工作原理，可以得到如圖所示的IGBT輸出特性。

（a）IGBT的輸出特性（n溝道增強型）

（b）轉移特性IC=f(VCE)

IGBT的輸出特性與轉移特性