絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT)是由功率MOSFET跟GTR復(fù)合而成的一種具有電壓控制的雙極型自關(guān)斷器件。GTR飽和壓下降，載流密度大，發(fā)電機(jī)廠家但驅(qū)動(dòng)電流較大，驅(qū)動(dòng)電復(fù)雜;功率MOSFET驅(qū)率小，驅(qū)動(dòng)電簡(jiǎn)樸，開(kāi)關(guān)速率快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT概括了GTR和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有輸出高、開(kāi)關(guān)速率快、驅(qū)率小、飽跟壓下降、控制電簡(jiǎn)樸、耐壓高、功率大等特點(diǎn)，在種種供電變更器中獲得極廣泛的應(yīng)用。由于設(shè)計(jì)極品化及近年來(lái)利用了大功率存儲(chǔ)器的工藝技能，其特性有了很大的改善，應(yīng)用局限已超出了過(guò)來(lái)GTR及功率MOSFET。自1986年投入市場(chǎng)后，IGBT敏捷擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域，取代了GTR和一部分功率MOSFET的市場(chǎng)，成為中、大功率供電電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，沒(méi)有只利用于供電系列，而且也普遍應(yīng)用于平常財(cái)產(chǎn)、交通運(yùn)輸、通訊系列、較量爭(zhēng)論機(jī)序列、新動(dòng)力系列，柴油發(fā)電機(jī)還應(yīng)用于照明、空調(diào)等家用電器中。目前IGBT的產(chǎn)品已類(lèi)別化，設(shè)備中最高耐壓為6500V，電流為1200A，并在繼承努力前進(jìn)功率、電壓功率和開(kāi)關(guān)赫茲�，F(xiàn)在已成為應(yīng)用最廣泛的供電電子器件之一。

　　絕緣柵雙極型晶體管本性上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在結(jié)構(gòu)上與功率MOSFET相似，只是原功率MOSFET的漏極跟漏區(qū)之間額外增加了一個(gè)P+型層。圖2所示為一個(gè)N溝道加強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)造剖面圖，N+區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為“發(fā)射極”(等效于功率MOSFET中的源極)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為“柵極”。N-層為漂移區(qū)，N+層為緩沖區(qū)(這個(gè)在IGBT中并不是必需)。IGBT的構(gòu)造中，柵極和源極與功率MOSFET類(lèi)似，IGBT的構(gòu)造與功率MOSFET的分歧之處在于IGBT在N溝道功率MOSFET的N+層上增加了一個(gè)P+層，構(gòu)成PN結(jié)J1，并由此引出漏極，在IGBT中稱(chēng)為“集電極”。

　　在IGBT中，與發(fā)射極連接的P區(qū)、漂移區(qū)N-區(qū)、緩沖區(qū)N+區(qū)、P+區(qū)構(gòu)成了一個(gè)PNP型晶體管，如圖2所示。銜接集電極的P+型注入層是IGBT特有的性能區(qū)，起集電極的作用，向漂浮區(qū)N-區(qū)注入空穴，關(guān)于漂浮區(qū)N-區(qū)舉辦電導(dǎo)調(diào)制，使IGBT在守舊狀況下，漂浮區(qū)N-區(qū)貫穿較高的載流子濃度，以下降器件的通態(tài)電壓。

　　IGBT的守舊和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)的。當(dāng)柵極加正向電壓時(shí)，柵極下方的P區(qū)中構(gòu)成電子載流子導(dǎo)電溝道，電子載流子由發(fā)射極的N+區(qū)通過(guò)導(dǎo)電溝道注入N-漂浮區(qū)，即為IGBT外部的PNP型晶體管提供基極電壓，從而PNP型晶體管導(dǎo)通，同時(shí)也使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，為維持N-漂移區(qū)的電均衡，P+區(qū)向N-漂浮區(qū)注入空穴載流子，并保持漂移區(qū)N-區(qū)具有較高的載流子濃度，即關(guān)于N-漂浮區(qū)舉行電導(dǎo)調(diào)制，削減漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻，使具有長(zhǎng)漂浮區(qū)的高耐壓IGBT也具有低的通態(tài)壓降。若柵極上加負(fù)功率時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道散失，PNP型晶體管的基極功率被切斷，IGBT關(guān)斷。

　　實(shí)際上，在IGBT構(gòu)造中，除了下面診斷的外部PNP型晶體管外，還擁有一個(gè)NPN型晶體管，它由與發(fā)射極銜接的N+區(qū)、P體區(qū)、漂浮區(qū)N-區(qū)構(gòu)成。為了防止PNP型與NPN型晶體管組合發(fā)生晶閘管效應(yīng)，計(jì)劃時(shí)盡或者使該NPN型晶體管沒(méi)有起功效，如圖1中，將NPN型晶體管的發(fā)射極和基極用鋁電極短。因此，IGBT的基本做工與NPN型晶體管有關(guān)，能夠等效為由N溝道MOSFET作為輸入級(jí)，PNP型晶體管作為輸出級(jí)的達(dá)林頓管。IGBT相稱(chēng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP型晶體管(見(jiàn)圖3)。IGBT綜合了功率MOSFET的快速開(kāi)關(guān)特性和雙極型晶體管導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。IGBT因此雙極型晶體管為主導(dǎo)體、MOSFET為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合器件。

　　IGBT與MOSFET是平常的，或許經(jīng)過(guò)控制柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)率來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通和阻斷。IGBT的正向阻斷原理與MOSFET相似。當(dāng)柵極功率UGE低于門(mén)檻功率UT時(shí)，在IGBT的柵極下方的P體區(qū)內(nèi)，沒(méi)無(wú)形成N型導(dǎo)電溝道，器件處于阻斷狀況。集電極-發(fā)射極之間的正向電壓使PN結(jié)J2反向偏置，集電極-發(fā)射極之間的電壓幾乎全部由PN結(jié)J2接受，這時(shí)只有非常小的漏電流通過(guò)漂浮區(qū)由集電極流向發(fā)射極。

　　當(dāng)加在IGBT上的柵極電壓高于門(mén)檻電流UT時(shí)，同MOSFET一般，在IGBT的柵極下方的P體區(qū)將構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電溝道，將N-漂移區(qū)與IGBT的發(fā)射極下方的N+區(qū)連起來(lái)，如圖5所示。少量的電子通過(guò)導(dǎo)電溝道從發(fā)射極注入N-漂浮區(qū)，成為內(nèi)部PNP型晶體管的基極電壓，由于J1結(jié)正偏，致使大量的空穴由注入?yún)^(qū)P+區(qū)注入N-漂浮區(qū)。注入N-漂浮區(qū)的空穴經(jīng)過(guò)漂浮和分散兩種辦法流過(guò)漂浮區(qū)，最初抵達(dá)P體區(qū)。當(dāng)空穴進(jìn)入P體區(qū)后來(lái)，吸引了大批來(lái)自覺(jué)射極接觸的金屬的電子，這些電子注入P體區(qū)，并迅速地與空穴復(fù)合，形成器件的導(dǎo)通功率，IGBT處于導(dǎo)通狀況。

　　圖6所示為IGBT內(nèi)部等效MOSFET跟雙極型晶體管GTR的結(jié)構(gòu)。在IGBT導(dǎo)通時(shí)，其功率通過(guò)外部等效MOSFET跟GTR導(dǎo)通。圖6所示為IGBT的等效電，IGBT為一個(gè)MOSFET與一個(gè)雙極型晶體管達(dá)林頓連接而成。IGBT導(dǎo)通壓降為

　　式中，UJ1為PN結(jié)J1的導(dǎo)通壓降;Udrift為漂移區(qū)體電阻上的壓降;Rchannel為P體區(qū)的等效導(dǎo)通電阻。由于在IGBT中具有電導(dǎo)調(diào)制作用，使得Udrift遠(yuǎn)小于類(lèi)似工況下功率MOSFET的導(dǎo)通壓降，這樣整個(gè)IGBT的導(dǎo)通壓降將會(huì)比MOSFET導(dǎo)通壓降要小。

　　在IGBT中，內(nèi)部的PNP型雙極型晶體管和寄生NPN型雙極型晶體管形成了一個(gè)晶閘管，如圖7所示，具有晶閘管導(dǎo)通時(shí)的擎住效應(yīng)。IGBT的擎住效應(yīng)或許分為靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)靜擎住效應(yīng)。

　　靜態(tài)擎住效應(yīng)發(fā)作于導(dǎo)通形態(tài)的IGBT中。在IGBT外部擁有兩個(gè)晶體管，辨別為PNP型晶體管和NPN型晶體管，在NPN型晶體管的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)一個(gè)等效體區(qū)電阻Rbr。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)該體區(qū)電阻Rbr，并發(fā)生肯定的壓降，對(duì)于NPN型晶體管的基極來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于加了一個(gè)正向偏置功率。在的集電極電流局限內(nèi)，這個(gè)正向偏置功率不夠大，因此NPN型晶體管沒(méi)有會(huì)導(dǎo)通�？墒�，當(dāng)集電極功率增加到肯定值時(shí)，這個(gè)正向偏置電流將使NPN型晶體管導(dǎo)通，而且與PNP型晶體管互相鼓勵(lì)，在這兩個(gè)晶體管內(nèi)部形成雷同于晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電壓正反饋現(xiàn)象，使得集電極功率快速上升，抵達(dá)飽和狀態(tài)，若是這時(shí)IGBT的柵極控制燈號(hào)撤除了，IGBT仍將處于導(dǎo)通狀況，這意味著這時(shí)IGBT的柵極將得到效用，這種景象稱(chēng)為“靜態(tài)擎住效應(yīng)”。

　　IGBT在關(guān)斷的歷程中也會(huì)產(chǎn)生擎住效應(yīng)，稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)”。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，IGBT外部的MOSFET機(jī)能單位關(guān)斷非常迅速，在J2結(jié)上反向電壓快速建立，J2結(jié)上的電壓厘革引起位移功率CJ2(duDC/dt)，該位移電流將在體區(qū)電阻Rbr上產(chǎn)生一個(gè)使外部寄生NPN型晶體管正向偏置的功率。因此IGBT關(guān)斷速度越快，J2結(jié)上的電流變化也越快，由此產(chǎn)生的位移電流也越大，當(dāng)位移電流超出某一臨界值后，將使NPN型晶體管正偏導(dǎo)通，形成類(lèi)似晶閘管導(dǎo)經(jīng)過(guò)程的電壓正反饋現(xiàn)象饒平柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。動(dòng)靜擎住效應(yīng)首要由電流變化率決議，此外還受集電極電流ICM及結(jié)溫等身分影響。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)所容許的集電極電流比動(dòng)態(tài)擎住時(shí)的還要小，因此制造廠(商)所的臨界集電極電流ICM是按不發(fā)生動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)所允許的最大集電極功率斷定的。因此在運(yùn)用IGBT時(shí)，必要IGBT的集電極電壓，使其小于發(fā)明廠(商)的集電極電壓最大值ICM。加大柵極驅(qū)動(dòng)電阻將延長(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間，無(wú)利于減小電流變化率，IGBT的動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。

　　IGBT的動(dòng)態(tài)個(gè)性是指以柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE為指標(biāo)，IGBT通態(tài)電壓與集電極-發(fā)射極電流UCE之間的關(guān)聯(lián)曲線。在一定的集電極-發(fā)射極電壓UCE下，集電極電流受柵極驅(qū)率UGE的控制，UGE越高，IC越大。IGBT的伏安特性通常分為飽跟區(qū)、線性放大區(qū)、正向阻斷區(qū)和正向擊穿區(qū)四個(gè)局部，如圖8所示。IGBT導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)該使IGBT運(yùn)行于飽跟區(qū)；IGBT在關(guān)斷形態(tài)下，外加電流由J2結(jié)承擔(dān)，應(yīng)當(dāng)IGBT處于正向阻斷區(qū)內(nèi)，此時(shí)最大集電極-發(fā)射極電壓沒(méi)有該當(dāng)超過(guò)擊穿電壓UBR。

　　圖9為IGBT搬動(dòng)個(gè)性示用意。轉(zhuǎn)移特性表示的是IGBT集電極電流IC和柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE之間的關(guān)聯(lián)，IGBT的轉(zhuǎn)移個(gè)性與MOSFET的挪動(dòng)個(gè)性雷同。當(dāng)柵極驅(qū)率小于門(mén)檻電流UT時(shí)，IGBT處于關(guān)斷形態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大局部集電極電流局限內(nèi)，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓高于門(mén)檻電壓UT時(shí)，IGBT的集電極電流隨著柵極驅(qū)動(dòng)電壓的減少而減少。最高柵極驅(qū)率受最大漏極電壓，其極好值日常取為15V。

　　同MOSFET一般，IGBT的電流轉(zhuǎn)移個(gè)性也受溫度的影響，當(dāng)處于大功率區(qū)域，在相同的柵極驅(qū)動(dòng)電壓條件下，集電極電壓和著溫度的回升而下降，表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)特性。