IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)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(jìn)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。XMtSQ E覽電換Oc圖12溝10 iG

2、BI示意圖IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)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(guò)反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng) 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(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N 一層的空穴(少子)，對(duì)N 層進(jìn) 行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。2.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(kāi)關(guān)特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流與冊(cè)極電壓之間的關(guān)系曲線。

3、輸岀漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越髙，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I匕狀態(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(wú)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(dá)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(kāi)啟電壓Ugs(th)時(shí)，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。最髙柵源電壓受最大漏

4、極電流限 制，貝最佳值一般取為15V左右。IGBT的開(kāi)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(shí)，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(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò) MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示： Uds(on) = Ujl + Udr + IdRoh式中Ujl -JI結(jié)的正向電壓，其值為0.7IV ： Udr 擴(kuò)展電阻Rck上的壓降；Roh溝道電阻。通態(tài)電流Ids可用下式表示：Ids=(l+Bpnp)Iinos式中Imos _ _流過(guò)MOSFET的電流。由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的

5、通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降 為23V 0 IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。2.動(dòng)態(tài)特性IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò) 程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給岀的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton即td (on) tri之和。漏 源電壓的下降時(shí)間由tfel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(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要 求、

6、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使 用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)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(dòng)電路提供的偏壓更高。IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET,但明顯高于GTRa IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān) 斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約34V, 和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)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)，英電壓和電流容呈還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿 足

7、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(jí)達(dá) 到10KV以上。目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)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，徳國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的 6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同 時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、髙速、低飽和壓降、高可靠性、 低成本技術(shù)，主要采用lum以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。3.IGBT的工作原理N溝型的IGBT工作是通過(guò)柵極一發(fā)射極間加閥值電壓VTH以上的(正)電壓，在柵極電 極

8、正下方的p層上形成反型層(溝道)，開(kāi)始從發(fā)射極電極下的m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(kāi)始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制(雙極工 作)，所以可以降低集電極一發(fā)射極間飽和電壓。工作時(shí)的等效電路如圖1 (b)所示，IGBT 的符號(hào)如圖1 (c)所示。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(dòng)，直到輸出側(cè)停止供給電流。通過(guò)輸出信 號(hào)已不能進(jìn)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)a作為 解決閉鎖的措施。具體地來(lái)說(shuō)，p+n-

9、p的電流放大系數(shù)a設(shè)計(jì)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(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，通斷 由柵射極電壓uGE決定。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(gè)N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分)，其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè) 雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下而 反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)岀現(xiàn)一個(gè)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(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范朗內(nèi)，那么，J1將處于正向偏

10、壓， 些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽(yáng)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(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè) 電子流(MOSFET電流)：空穴電流(雙極)。uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，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(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任 何情況下，如果MOSFET電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q 向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這

11、種殘余電流值(尾流)的降低，完全 取決于關(guān)斷時(shí)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)呈:和拓?fù)?，層次厚度?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(wèn)題：功耗升高： 交叉導(dǎo)通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)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(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根拯所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)汁上的電流的不 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(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT 關(guān)斷。反向阻斷。當(dāng)集電極被施加一

12、個(gè)反向電壓時(shí)，J1就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因 過(guò)多地降低這個(gè)層而的厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。 另一方而，如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會(huì)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(gè)正電壓時(shí)，P/NJ3結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)， 仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。閂鎖。IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo) 通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET的控制能力降低， 通常還會(huì)引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說(shuō)，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(dòng)態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別： 當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。只在關(guān)斷時(shí)才會(huì)岀現(xiàn)動(dòng)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