IGBT的构造与工作原理详解.doc

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1、IGBT的构造与工作原理详解1．前言      在绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，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

2、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

3、域不断提高，今后将有更大的发展。2．IGBT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（Subchannelregion）。而在漏区另一侧的P+区

4、称为漏注入区（Draininjector），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）。      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

5、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：       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

6、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。3．穿通型(PT)& 非穿通型(NPT)&场中止型(FS)IGBT       PT-IGBT在数百微米厚的P+单晶衬底与N-漂移耐压层之间添加了N+缓冲层，外延层上制造复

7、杂的正面结构。N+缓冲层通过减少少数载流子的注入及提高开关过程中的复合速度，可以提高IGBT的关断速度。此外擎柱效应也得到了改善，减少了PNP晶体管的增益。但是，会造成通态压降增加。不过，N-漂移区的厚度可以减小并保持相同的正向电压阻断能力，因为N+缓冲层可以提高正向电压阻断能力，从而降低通态压降。因此，PT-IGBT相对于NPT-IGBT具有优越的开关速度和正向压降折衷特性。PT-IGBT的导通压降VCEsat具有负温度系数，热电正反馈效应很容易使电流集中，诱发二次击穿，器件高温稳定性差，不利于并联工作。     

8、  高压NPT-IGBT采用N-型单晶为起始材料，单晶衬底上直接制造正面复杂的结构，结构完成后，从衬底背面采用研磨、腐蚀的方法减薄到耐压所需的厚度，之后很薄的P+集电区通过离子注入形成，掺杂浓度较低，对少子电子是透明的，主要（约70%）电子流形式的电流通过集电结。器件关断时，漂移区存储的大量过剩电子通过透明集电区能迅速流出，而空穴本来就能顺利流