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五月 18 2020

绝缘栅双极型晶体管的原理与结构


目录

1.器件介绍
2.工作原理
3.结构

  绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)综合了电力晶体管(Giant Transistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点,具有良好的特性,应用领域很广泛;IGBT也是三端器件:栅极,集电极和发射极。本文将介绍其的工作原理以及结构。

  1.器件介绍

  IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件,属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器(逆变器)、照相机的频闪观测器、感应加热(InductionHeating)电饭锅等领域。根据封装的不同,IGBT大致分为两种类型,一种是模压树脂密封的三端单体封装型,从TO-3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD (FleeWheelDiode)成对地(2或6组)封装起来的模块型,主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同,分为多种形状及封装方式,都已形成系列化。

绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管

  2.工作原理

  N沟型的 IGBT工作是通过栅极-发射极间加阀值电压VTH以上的(正)电压,在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子,从集电极衬底p+层开始流入空穴,进行电导率调制(双极工作),所以可以降低集电极-发射极间饱和电压。在发射极电极侧形成n+pn-寄生晶体管。若n+pn-寄生晶体管工作,又变成p+n- pn+晶闸管。电流继续流动,直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。

  为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说,p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。 IGBT的闭锁电流IL为额定电流(直流)的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,通断由栅射极电压uGE决定。

  3.结构

  图1(a)所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+ 区称为源区,附于其上的电极称为源极。N+ 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。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( Subchannel region )。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector ),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,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

  IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP 晶体管提供基极电流,使IGBT 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET ,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后,从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子),对N 一层进行电导调制,减小N 一层的电阻,使IGBT 在高电压时,也具有低的通态电压。

IGBT结构

IGBT等效电路以及电气符号

  图1 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

  本文总结了绝缘栅双极型晶体管的原理与结构。IGBT适用于较大的阻断电压。在为了提高击穿电压而让漂移区的电阻率和厚度增加时,MOSFET的通态电阻将会显著增大。正因为如此,火电流、高阻断电压的功率MOSFET通常是很难发展的。相反,对于IGBT来说,其漂移区的电阻由于高浓度的少数载流子的注入而急剧下降,这样IGBT的漂移区的正向压降变得和IGBT本身的厚度相关,但和原有的电阻率无关。

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