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絕緣柵雙極型晶體管IGBT簡介、結構及原理

Mijia329 ? 來源:電子匯 ? 作者:電子匯 ? 2022-12-20 10:38 ? 次閱讀

所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),是由 BJT(雙極結型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場效應管) 組成的復合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件,其具有自關斷的特征。

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簡單講,是一個非通即斷的開關,IGBT沒有放大電壓的功能,導通時可以看做導線,斷開時當做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優點,如驅動功率小和飽和壓降低等。

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而平時我們在實際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD(續流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品,具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點。

前面介紹了Power MOSFET,而IGBT其實本質上還是一個場效應晶體管,從結構上看和Power MOSFET非常接近,就在背面的漏電極增加了一個P+層,我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實根本上來講它還是傳統的MOSFET,它依然是單一載流子(多子)導電,所以我們還沒有發揮出它的極致性能。所以后來發展出一個新的結 構,我們如何能夠在Power MOSFET導通的時候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎?所以自然的就在漏端引入了一個P+的injection layer (這就是名字的由來),而從結構上漏端就多了一個P+/N-drift的PN結,不過他是正偏的,所以它不影響導通反而增加了空穴注入效應,所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導電。所以原來的source就變成了Emitter,而Drain就變成了Collector了。

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從上面結構以及右邊的等效電路圖看出,它有兩個等效的BJT背靠背鏈接起來的,它其實就是PNPN的Thyristor(晶閘管),這個東西不是我們刻意做的,而是結構生成的。我在5個月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了,這樣的結構最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關鍵就在于控制Rs,只要滿足α1+α2<1就可以了。

另外,這樣的結構好處是提高了電流驅動能力,但壞處是當器件關斷時,溝道很快關斷沒有了多子電流,可是Collector (Drain)端這邊還繼續有少子空穴注入,所以整個器件的電流需要慢慢才能關閉(拖尾電流, tailing current),影響了器件的關斷時間及工作頻率。這個可是開關器件的大忌啊,所以又引入了一個結構在P+與N-drift之間加入N+buffer層,這一層的作用就是讓器件在關斷的時候,從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復合掉提高關斷頻率,我們稱這種結構為PT-IGBT (Punch Through型),而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。

一般情況下,NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高,主要因為NPT是正溫度系數(P+襯底較薄空穴注入較少),而PT是負溫度系數(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導致的三極管基區調制效應明顯),而Vce(sat)決定了開關損耗(switch loss),所以如果需要同樣的Vce(sat),則NPT必須要增加drift厚度,所以Ron就增大了。

審核編輯:郭婷

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原文標題:IGBT簡介、結構及原理

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