IGBT的結構和工作原理參考模板

1、IGBT的結構和工作原理 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(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 一區(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。 IGBT 的開關作用是通

2、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。 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)移特性和開關特性。 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系曲線。輸出

3、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。在截止狀態(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。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，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關斷狀態(tài)。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關系。

4、最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。 IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通態(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構，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 1 / 4式中Uj1 JI 結的正向電壓，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

5、N+ 區(qū)存在電導調(diào)制效應，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)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當

6、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)動技術進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。 IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比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IGB

7、T器件至今尚未出現(xiàn)，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發(fā)展的需求，特別是在高壓領域的許多應用中，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)等技術來實現(xiàn)高壓應用。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)獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產(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，主要采用1m以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進展。 3.IGBT的工作原理 N溝型的 IGBT工作是通過柵極發(fā)射極間

8、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。工作時的等效電路如圖1（b）所示，IGBT的符號如圖1（c）所示。在發(fā)射極電極側形成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)作為解決閉鎖的

9、措施。具體地來說，p+n-p的電流放大系數(shù)設計為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)導通 IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分），其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件?；膽迷诠荏w的P+和N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結。當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

10、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通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲：一個電子流(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導通。 (2)導通壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。 (3)關斷 當在柵極施加一個負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

11、少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓撲，層次厚度和溫度。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題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設備上，問題更加明顯。 鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的，尾流特性與VCE、IC和 TC有關。 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關斷。 (4)

12、反向阻斷。 當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)有密切關系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別： 當晶閘管全部導通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。 只在關斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴重地限制了安全操作區(qū)。 為防止寄