IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管
是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等土地。

在IGBT獲得大力發展之前，功率場效應管MOSFET被用于需要快速開關的中低壓場合，晶閘管、GTO被用于中高壓領域。MOSFET雖然有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、驅動電路簡單的優點;但是，在200V或更高電壓的場合，MOSFET的導通電阻隨著擊穿電壓的增加會敏捷增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能獲得高耐壓、大容量元件等缺陷。雙極晶體管具有優異的低正向導通壓降特征，雖然可以獲得高耐壓、大容量的元件，但是它要求的驅動電流大，控制電路非常複雜，同時交換速度不夠快。

IGBT正是作爲順應這種要求而開發的，它是由MOSFET(輸入級)和PNP晶體管(輸出級)複合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的特點(控制和響應)，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(功率級較爲耐用)，頻率特征介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十KHz頻率範圍內。基于這些優異的特征，IGBT一直廣泛使用在超過300V電壓的應用中，模塊化的IGBT可以滿足更高的電流傳導要求，其應用領域不斷提高，今後將有更大的發展。

IGBT的結構與特征：

如圖1所示為一個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(即開槍極E)。N基極稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區疆界形成。在C、E兩極之間的P型區(包括P+和P-區，溝道在該區域形成)，稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector)，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，起開槍極的作用，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(即集電極C)。

圖1 N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來爲NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓排除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本雷同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，因此具有高輸入阻抗特征。當MOSFET的溝道形成後，從P+基極注入到N-層的空穴(少子)，對N-層進行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。

IGBT是由MOSFET和GTR技術結合而成的復合型開關器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而組成的，性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優點。N+區稱為源區，附于其上的電極稱為源極(即開槍極E)；P+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(即門極G)。溝道在緊靠柵區疆界形成。在C、E兩極之間的P型區(包括P+和P-區)(溝道在該區域形成)稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector)，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，起開槍極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態壓降。附于漏注入區上的電極稱為漏極(即集電極C)。  

圖2 IGBT的結構

IGBT是由一個N溝道的MOSFET和一個PNP型GTR組成，它實際是以GTR爲主導元件，以MOSFET爲驅動元件的複合管。IGBT除了內含PNP晶體管結構，還有NPN晶體管結構，該NPN晶體管通過將其基極與發射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關斷。IGBT的4層PNPN結構，內含的PNP與NPN晶體管形成了一個可控矽的結構，有也許會造成IGBT的擎柱效應。IGBT與MOSFET不同，內部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當的快恢複二極管。

IGBT的理想等效電路及實際等效電路如下圖所示：

圖3 IGBT的理想等效電路及實際等效電路

由等效電路可將IGBT作爲對PNP雙極晶體管和功率MOSFET進行達林頓連接後形成的單片型Bi-MOS晶體管。

因此，在門極-發射極之間外加正電壓使功率MOSFET導通時，PNP晶體管的基極-集電極就連接上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導通狀態，由于通過在漏極上追加p+層，在導通狀態下，從p+層向n基極注入空穴，從而引發傳導性能的轉變。因此，它與功率MOSFET相比，可以獲得極低的通態電阻。

此後，使門極-發射極之間的電壓爲0V時，第一功率MOSFET處于斷路狀態，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態。

如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號可以控制開通和關斷動作。

IGBT的工作特征：

1.靜態特征

IGBT 的靜態特征要緊有伏安特征、轉移特征和開關特征。

IGBT 的伏安特征是指以柵源電壓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 的輸出特征類似，也可分為飽和區1 、膨脹區2和擊穿特征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，進入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達成幾十伏水平，因此，限制了IGBT 的某些應用范圍。

IGBT 的轉移特征是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特征雷同，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 的開關特征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，因此其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 總電流的要緊部分。此刻，通態電壓Uds(on) 可用下式表達：

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ;Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。

通態電流Ids 可用下式表達：

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，因此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。

1動態特征

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晶體管由膨脹區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間，tri為電流飛騰時間。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。

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。獲選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 開槍極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，只是由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應當比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啓電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR靠近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

IGBT的工作原理：

IGBT是將強電流、壓服應用和快速終端設備用鉛直功率MOSFET的自然進化。由于實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而那個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特征，IGBT排除了現有功率MOSFET的這些要緊弱點。盡管最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特征，但是在高電平常，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。

N溝型的IGBT工作是通過柵極-開槍極間加閥值電壓VTH以上的(正)電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層(溝道)，結束從開槍極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數載流子，從集電極襯底p+層結束流入空穴，進行電導率調制(雙極工作)，因此可以降低集電極-開槍極間飽和電壓。工作時的等效電路如圖1(b)所示，IGBT的標記如圖1(c)所示。在開槍極電極側形成n+pn-寄生晶體管。若n+pn-寄生晶體管工作，又成了英雄p+n- pn+晶閘管。電流繼續固定，直到輸出側制止供給電流。通過輸出信號已不能進行控制。一般將這種狀態稱為閉鎖狀態。

為了克制n+pn-寄生晶體管的工作IGBT采用盡也許縮小p+n-p晶體管的電流膨脹系數α作為解決閉鎖的措施。的確地來說，p+n-p的電流膨脹系數α設計為0.5以下。 IGBT的閉鎖電流IL為額定電流(直流)的3倍以上。IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本雷同，通斷由柵射極電壓uGE決定。

導通

IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構非常類似，要緊差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加那個部分)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件�；�片的應用在管體的P+和N+ 區之間創建了一個J1結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，并完全比照功率MOSFET的方法產生一股電流。如果那個電子流產生的電壓在0.7V范圍內，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整陰陽極之間的電阻率，這種方法降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流);空穴電流(雙極)。uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。

導通壓降

電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降小。

關斷

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在職何情況下，如果MOSFET電流在開關時期敏捷下降，集電極電流則逐步降低，這是因為換向結束后，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種糟粕電流值(尾流)的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高;交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE緊密相關的空穴移動性有緊密的關系。因此，依據所達成的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的，尾流特征與VCE、IC和 TC有關。

柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。

反向阻斷

當集電極被施加一個反向電壓時，J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低那個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，因此，那個機制非常重要。另一方面，如果過大地增加那個區域尺寸，就會連續地提壓服降。

正向阻斷

當柵極和發射極短接並在集電極端子施加一個正電壓時，P/NJ3結受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承擔外部施加的電壓。

閂鎖

IGBT在集電極與開槍極之間有一個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與開槍極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖，的確地說，這種缺陷的原因互不雷同，與器件的狀態有緊密關系。通常情況下，靜態和動態閂鎖有如下要緊區別：

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。

爲預防寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，有需要采取以下措施：一是預防NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別；二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。

另外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的妨礙，因此，它與結溫的關系也非常緊密;在結和氣增益提高的情況下，P基區的電阻率會升高，破壞了整體特征。因此，器件制造商必須注重將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保全一定的比例，通常比例為1：5。