IGBT或絕緣柵雙極晶體管是BJT和MOSFET的組合。它的名字也暗示了它們之間的融合,?！敖^緣柵”是指MOSFET的輸入部分具有很高的輸入阻抗。它不吸收任何輸入電流,，而是在其門端電壓上工作,?！半p極”是指BJT的輸出部分具有雙極性質(zhì),，其中電流是由兩種類型的載流子引起的。它允許它處理非常大的電流和電壓使用小電壓信號,。這種混合組合使IGBT成為電壓控制器件,。

它是一種具有三個PN結(jié)的四層PNPN器件。它有三個終端門(G),，集電極(C)和發(fā)射極(E),。終端的名字也意味著取自兩個晶體管。柵極終端,，因為它是輸入部分,，取自MOSFET，而集電極和發(fā)射極,，因為它們是輸出,，取自BJT。

IGBT由四層半導體構(gòu)成PNPN結(jié)構(gòu),。集電極(C)連接在P層上,，發(fā)射極(E)連接在P層和N層之間。P+襯底用于構(gòu)建IGBT,。在其上放置N層形成PN結(jié)J1,。在N層上制備了兩個P區(qū)，形成PN結(jié)J2,。P區(qū)是這樣設計的,，以便在中間為柵極(G)電極留下一條路徑,。如圖所示，N+區(qū)域擴散在P區(qū)域上,。

發(fā)射極和柵極是金屬電極,。發(fā)射器直接連接到N+區(qū)域，而柵極則使用二氧化硅層進行絕緣,。堿性P+層向N層注入孔洞,，這就是為什么它被稱為注入層。而N層稱為漂移區(qū),。其厚度與電壓阻斷能力成正比,。上面的P層被稱為IGBT的主體。

所述N層被設計為具有在發(fā)射極和集電極之間通過在柵電極電壓影響下產(chǎn)生的溝道的電流流過的通路,。

我們知道IGBT是MOSFET的輸入和BJT的輸出的組合,，它具有與n溝道MOSFET和PNP BJT在達靈頓配置中的等效結(jié)構(gòu)。漂移區(qū)的阻力也可以考慮在內(nèi),。

如果我們看一下上面IGBT的結(jié)構(gòu),，就會發(fā)現(xiàn)電流流動的路徑不止一條。電流路徑從集電極指向發(fā)射極,。第一個路徑是“集電極,，P+襯底，N-,， P -發(fā)射極”,。這個路徑已經(jīng)提到了在等效結(jié)構(gòu)中使用PNP晶體管。第二條路徑是“集電極,，P+襯底,，N-， P, N+,，發(fā)射極”,。為了包含這條路徑，必須在結(jié)構(gòu)中包含另一個NPN晶體管,，如下圖所示,。

IGBT集電極(C)和發(fā)射極(E)的兩個端子用于導通電流，柵極(G)用于控制IGBT,。它的工作原理是基于柵極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極之間的偏置,。

將集電極-發(fā)射極連接到Vcc，使得集電極保持在比發(fā)射極高的正電壓,。j1變成正向偏置,，j2變成反向偏置。此時，柵極處沒有電壓,。由于反向j2, IGBT保持關(guān)閉,，沒有電流將在集電極和發(fā)射極之間流動。

施加比發(fā)射極正的柵極電壓VG,，由于電容作用,，負電荷將在SiO2層正下方積聚。增加VG會增加電荷的數(shù)量,，當VG超過閾值電壓時,，在p區(qū)上部最終形成一層電荷。該層形成N-通道,，短化N漂區(qū)和N+區(qū),。

從發(fā)射極流出的電子從N+區(qū)流入N漂移區(qū)。而集電極上的空穴則從P+區(qū)注入到N漂移區(qū),。由于漂移區(qū)中電子和空穴的過量,，使其電導率增加，并開始傳導電流,。因此,，IGBT開關(guān)打開。

基于包含N+緩沖層的IGBT有兩種類型,。這個額外層的包含將它們分為對稱的和不對稱的IGBT,。

通過IGBT打孔包括N+緩沖層，由于它也被稱為不對稱IGBT,。它們具有不對稱的電壓阻斷能力,，即它們的正向和反向擊穿電壓是不同的,。它們的反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓,。它具有更快的切換速度。

通過igbt的穿孔是單向的,，不能處理反向電壓,。因此，它們被用于直流電路,，如逆變器和斬波電路,。

由于沒有額外的N+緩沖層，它們也被稱為對稱IGBT,。結(jié)構(gòu)的對稱性提供了對稱的擊穿電壓特性,，即正向擊穿電壓和反向擊穿電壓相等。由于這個原因,，它們被用于交流電路中,。

與BJT不同，IGBT是一種電壓控制器件，其柵極只需要一個小電壓來控制集電極電流,。然而,，柵極-發(fā)射極電壓VGE需要大于閾值電壓。

IGBT的傳輸特性顯示了輸入電壓VGE與輸出集電極電流IC的關(guān)系,，當VGE為0v時,，沒有IC，設備保持關(guān)閉狀態(tài),。當VGE略有增加但保持在閾值電壓VGET以下時,，器件保持斷開狀態(tài)，但存在漏電流,。當VGE超過閾值時,，I-C開始增加，設備上電,。因為它是一個單向裝置,，所以電流只向一個方向流動。

該圖顯示了不同電壓梯度下集電極電流與集電極-發(fā)射極電壓的關(guān)系,。在VGE < VGET時,，IGBT處于截止模式，IC在任何VCE都= 0,。當VGE > VGET時,，IGBT進入主動模式，IC隨著VCE的增加而增加,。此外,，對于VGE1 < VGE2 < VGE3的每個VGE, IC是不同的。

反向電壓不應超過反向擊穿極限,。正向電壓也是,。如果它們超過各自的擊穿限制，不受控制的電流開始通過它,。

正如我們上面所討論的,，IGBT采用了BJT和MOSFET的最佳部分。因此,，它在幾乎所有方面都是優(yōu)越的,。以下是IGBT、BJT和MOSFET的一些特性對比圖,。我們正在比較功率器件的最大性能,。

IGBT整體上具有BJT和MOSFET的優(yōu)點。

● 具有更高的電壓和電流處理能力

● 有很高的輸入阻抗

● 可以用非常低的電壓切換非常大的電流

● 是電壓控制的,，即它沒有輸入電流和低輸入損耗

● 柵極驅(qū)動電路簡單,、便宜

● 可以很容易地通過施加正電壓開關(guān)開,，并通過施加零或輕微負電壓開關(guān)關(guān)

● 具有非常低的導通狀態(tài)電阻

● 具有高電流密度，使其具有更小的芯片尺寸

● 具有比BJT和MOSFET更高的功率增益

● 具有比BJT更高的開關(guān)速度

● 具有比MOSFET更低的開關(guān)速度

● 是單向的,，不能反向傳導

● 不能阻擋更高的反向電壓

● 比BJT和MOSFET貴

● 由于PNPN結(jié)構(gòu)類似晶閘管,，存在鎖存問題

IGBT在交流和直流電路中有許多應用。以下是IGBT的一些重要應用,。

● 用于SMPS(開關(guān)模式電源)中,，為敏感的醫(yī)療設備和計算機供電

● 適用于UPS(不間斷電源)系統(tǒng)

● 用于交流和直流電機驅(qū)動器提供速度控制

● 用于斬波器和逆變器

● 用于太陽能逆變器