淺析IGBT:IGBT的結構與工作原理

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型電晶體

是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

在IGBT得到大力發展之前，功率場效應管MOSFET被用於需要快速開關的中低壓場合，晶閘管、GTO被用於中高壓領域。MOSFET雖然有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、驅動電路簡單的優點;但是，在200V或更高電壓的場合，MOSFET的導通電阻隨著擊穿電壓的增加會迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能得到高耐壓、大容量元件等缺陷。雙極電晶體具有優異的低正嚮導通壓降特性，雖然可以得到高耐壓、大容量的元件，但是它要求的驅動電流大，控制電路非常複雜，而且交換速度不夠快。

IGBT正是作為順應這種要求而開發的，它是由MOSFET(輸入級)和PNP電晶體(輸出級)複合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的特點(控制和響應)，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(功率級較為耐用)，頻率特性介於MOSFET與功率電晶體之間，可正常工作於幾十KHz頻率範圍內。基於這些優異的特性，IGBT一直廣泛使用在超過300V電壓的應用中，模塊化的IGBT可以滿足更高的電流傳導要求，其應用領域不斷提高，今後將有更大的發展。

如圖1所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極電晶體結構， N+區稱為源區，附於其上的電極稱為源極(即發射極E)。N基極稱為漏區。器件的控制區為柵區，附於其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(包括P+和P-區，溝道在該區域形成)，稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極電晶體，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調製，以降低器件的通態電壓。附於漏注入區上的電極稱為漏極(即集電極C)。

　　  

圖1 N溝道增強型絕緣柵雙極電晶體結構

 

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為NPN)電晶體提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和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MOSFET的溝道形成後，從P+基極注入到N-層的空穴(少子)，對N-層進行電導調製，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。

IGBT是由MOSFET和GTR技術結合而成的複合型開關器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構成的，性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率電晶體的優點。N+區稱為源區，附於其上的電極稱為源極(即發射極E)；P+區稱為漏區，器件的控制區為柵區，附於其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(包括P+和P-區)(溝道在該區域形成)稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極電晶體，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調製，以降低器件的通態壓降。附於漏注入區上的電極稱為漏極(即集電極C)。

　　  

圖2 IGBT的結構

 

IGBT是由一個N溝道的MOSFET和一個PNP型GTR組成，它實際是以GTR為主導元件，以MOSFET為驅動元件的複合管。IGBT除了內含PNP電晶體結構，還有NPN電晶體結構，該NPN電晶體通過將其基極與發射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關斷。IGBT的4層PNPN結構，內含的PNP與NPN電晶體形成了一個可控矽的結構，有可能會造成IGBT的擎柱效應。IGBT與MOSFET不同，內部沒有寄生的反向二極體，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當的快恢復二極體。

IGBT的理想等效電路及實際等效電路如下圖所示：

　　  

圖3 IGBT的理想等效電路及實際等效電路

由等效電路可將IGBT作為對PNP雙極電晶體和功率MOSFET進行達林頓連接後形成的單片型Bi-MOS電晶體。

因此，在門極-發射極之間外加正電壓使功率MOSFET導通時，PNP電晶體的基極-集電極就連接上了低電阻，從而使PNP電晶體處於導通狀態，由於通過在漏極上追加p+層，在導通狀態下，從p+層向n基極注入空穴，從而引發傳導性能的轉變。因此，它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態電阻。

此後，使門極-發射極之間的電壓為0V時，首先功率MOSFET處於斷路狀態，PNP電晶體的基極電流被切斷，從而處於斷路狀態。

如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號可以控制開通和關斷動作。

IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

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係曲線。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1 、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩衝區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩衝區後，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此，限制了IGBT 的某些應用範圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關係曲線。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵源電壓小於開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處於關斷狀態。在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍內， Id 與Ugs呈線性關係。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係。IGBT 處於導通態時，由於它的PNP 電晶體為寬基區電晶體，所以其B 值極低。儘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，通態電壓Uds(on) 可用下式表示：

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

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。

通態電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由於N+ 區存在電導調製效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處於斷態時，只有很小的洩漏電流存在。

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 下降過程後期， PNP電晶體由放大區至飽和，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動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基於以下的參數來進行：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- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由於IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT的開關速度低於MOSFET，但明顯高於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射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，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。

IGBT是將強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特徵，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，並簡化IGBT驅動器的原理圖。

N溝型的IGBT工作是通過柵極-發射極間加閥值電壓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)，開始從發射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p電晶體的少數載流子，從集電極襯底p+層開始流入空穴，進行電導率調製(雙極工作)，所以可以降低集電極-發射極間飽和電壓。工作時的等效電路如圖1(b)所示，IGBT的符號如圖1(c)所示。在發射極電極側形成n+pn-寄生電晶體。若n+pn-寄生電晶體工作，又變成p+n- pn+晶閘管。電流繼續流動，直到輸出側停止供給電流。通過輸出信號已不能進行控制。一般將這種狀態稱為閉鎖狀態。

為了抑制n+pn-寄生電晶體的工作IGBT採用儘量縮小p+n-p電晶體的電流放大係數α作為解決閉鎖的措施。具體地來說，p+n-p的電流放大係數α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的驅動原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定。

IGBT矽片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩衝層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和N+ 區之間創建了一個J1結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，並完全按照功率MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V範圍內，那麼，J1將處於正向偏壓，一些空穴注入N-區內，並調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，並啟動了第二個電荷流。最後的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流);空穴電流(雙極)。uGE大於開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為電晶體提供基極電流，IGBT導通。

電導調製效應使電阻RN減小，使通態壓降小。

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低於門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。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，這是因為換向開始後，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘餘電流值(尾流)的降低，完全取決於關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特徵尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高;交叉導通問題，特別是在使用續流二極體的設備上，問題更加明顯。

鑑於尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與晶片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關係。因此，根據所達到的溫度，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內的溝道消失，電晶體的基極電流被切斷，IGBT關斷。

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域尺寸，就會連續地提高壓降。

當柵極和發射極短接並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漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發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。這種現象會使集電極與發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，與器件的狀態有密切關係。通常情況下，靜態和動態閂鎖有如下主要區別：

只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。

為防止寄生NPN和PNP電晶體的有害現象，有必要採取以下措施：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電晶體的總電流增益。

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，它與結溫的關係也非常密切;在結溫和增益提高的情況下，P基區的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件製造商必須注意將集電極最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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