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    IGBT的結構原理與特性圖解

    編輯 :

    深圳逸盛通科技有限公司

    時間 : 2018-09-18 21:15 瀏覽量 : 407

    IGBT的結構原理與特性圖解

    在IGBT得到大力發展之前,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迅速增加,使得其功耗大幅增加,存在著不能得到高耐壓、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性,雖然可以得到高耐壓、大容量的元件,但是它要求的驅動電流大,控制電路非常復雜,而且交換速度不夠快。
      IGBT正是作為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)復合而成的一種器件,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(功率級較為耐用),頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間,可正常工作于幾十KHz頻率范圍內?;谶@些優異的特性,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,今后將有更大的發展。


      IGBT的結構與特性:


      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(即發射極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)。溝道在緊靠柵區邊界形成。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(即集電極C)。

    N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構


      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(原來為NPN)晶體管提供基極電流,使IGBT導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,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-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+層而構成的,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(即發射極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)。溝道在緊靠柵區邊界形成。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,以降低器件的通態壓降。附于漏注入區上的電極稱為漏極(即集電極C)。

    IGBT的結構

      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為主導元件,以MOSFET為驅動元件的復合管。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硅的結構,有可能會造成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復二極管。
      IGBT的理想等效電路及實際等效電路如下圖所示:

    IGBT的理想等效電路及實際等效電路 


     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作為對PNP雙極晶體管和功率MOSFET進行達林頓連接后形成的單片型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,可以得到極低的通態電阻。
      此后,使門極-發射極之間的電壓為0V時,首先功率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。(英飛凌igbt廠家


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