深度剖析：IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理

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2022-03-10 12:54:03 0

IGBIGBT的結(jié)構(gòu)

圖1所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)，溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。
而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。
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IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。
IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對N一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。

IGBT的工作特性

1.靜態(tài)特性

IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)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的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。

IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。*高柵源電壓受*大漏極電流限制，其*佳值一般取為15V左右。

IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為 IGBT總電流的主要部分。

此時，通態(tài)電壓 Uds(on)可用下式表示：

Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh
式中 Uj1 —— JI結(jié)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(tài)電流Ids可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos
式中 Imos —— 流過MOSFET的電流。
由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為2～3V 。IGBT處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。

2.動態(tài)特性

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晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri為電流上升時間。實際應(yīng)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(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)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—發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。
IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現(xiàn)，其電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上。目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)高壓應(yīng)用。
國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率 IGBT器件已經(jīng)獲得實際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進展。

IGBT的工作原理

N溝型的IGBT工作是通過柵極 — 發(fā)射極間加閥值電壓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），開始從發(fā)射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底p+層開始流入空穴，進行電導(dǎo)率調(diào)制（雙極工作），所以可以降低集電極 — 發(fā)射極間飽和電壓。
在發(fā)射極電極側(cè)形成n+pn — 寄生晶體管。若n+pn — 寄生晶體管工作，又變成 p+n — pn+晶閘管。電流繼續(xù)流動，直到輸出側(cè)停止供給電流。通過輸出信號已不能進行控制。一般將這種狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。
為了抑制n+pn — 寄生晶體管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體管的電流放大系數(shù)α作為解決閉鎖的措施。具體地來說，p+n-p的電流放大系數(shù)α設(shè)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(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定。

1.導(dǎo)通

IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+基片和一個N+緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分），其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件。基片的應(yīng)用在管體的P+和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。
如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。
*后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流（MOSFET 電流）、空穴電流（雙極）。uGE大于開啟電壓 UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。

2.導(dǎo)通壓降

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN 減小，使通態(tài)壓降小。

3.關(guān)斷

當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。
這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)洌瑢哟魏穸群蜏囟取Ｉ僮拥乃p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(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。
鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與VCE、IC和TC有關(guān)。
柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。

4.反向阻斷

當(dāng)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(qū)擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。

5.正向阻斷

當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/NJ3結(jié)受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

6.閂鎖

IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管，在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射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(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。
為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：

一是防止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。

此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極*大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1:5。

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