IGBT的工作原理详解 看完就懂了
N沟道的IGBT工作是通过栅极一发射极间加阀值电压VTH以上的（正）电压，在栅极电极正下方的P 层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的N-层注入电子。该电子为PNP型晶体管的少数载流子，从集电极衬底P+层开始流人空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极—发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1a所示，IGBT的符号如图1b所示。在发射极电极侧形成NPN型寄生晶体管。若NPN型寄生晶体管工作，又变成P、N - PN+型晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制，一般将这种状态称为闭锁状态。
为了抑制NPN型寄生晶体管的工作，IGBT采用尽量缩小PNP型晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体来说，PNP型晶体管的电流放大系数α设计为0.5以下，IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。
正是由于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板上加一层 P+基板，形成了四层结构，由PNP - NPN型晶体管构成IGBT。设计时尽可能使NPN管不起作用。采取这样的结构可在N-层作电导率调制，提高电流密度。这是因为从P+基板经过N+层向高电阻的N-层注入少量载流子的结果。
IGBT的理想等效电路是对PNP双极型晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi - MOS 晶体管。因此，在栅极—发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，PNP 塑聶体管的基极—集电极间就连接上了低电阻，从而使PNP型晶体管处于导通状态。此后，使栅极—发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，PNP型晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP型晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注到 N-区进行电导调制，减少N-区的电阻Rdr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT 即关断。
虽然在IGBT栅极上外加正电压即可导通，但是由于通过在漏极上追加P+层，在导通状态下从P+层向N基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。
功率MOSFET是通过在栅极上外加正电压，使P基极层形成沟道，从而进入导通状态的。此时，由于N发射极（源极）层和N基极层以沟道为媒介而导通，MOSFET的漏—源极之间形成了单一的半导体。它的电特性也就成了单纯的电阻。该电阻越低，通态电压也就变得越低。但是，在MOSFET进行耐高压化的同时，N基极层需要加厚（N基极层的作用是在阻断状态下，维持漏极一源极之间所外加的电压。因此，需要维持的电压越高，该层就越厚。），以使器件耐压性能增高，但漏极—源极之间的电阻也就增加。正因为如此，高耐压的功率MOSFET的通态电阻变大，无法使大量的电流顺利通过，因此实现大容量化非常困难。
针对这一点，IGBT中由于追加了P+层，所以从漏极方面来看，它与N基极层之间构成了PN二极管。因为这个二极管的作用，N基极得到电导率调制，从而使通态电阻减小到几乎可以忽略的值。因此，IGBT与MOSFET相比，能更容易地实现大容量化。
IGBT与双极型晶体管的芯片和功率MOSFET的芯片共同组合成的混合级联型Bi- MOS晶体管的区别就在于功率MOSFET的通态电阻。在IGBT中功率MOSFET的通态电阻变得小，再考虑到芯片间需要布线这一点，IGBT比混合级联型Bi- MOS 晶体管优越。
1.导通
IGBT 硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N、缓冲层（NPT型非穿通IGBT技术没有增加这个部分），其中一个功率MOSFET 驱动两个双极型器件。基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生电子流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么 Jl将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层内临时出现两种不同的电流拓扑：即电子流（功率MOSFET电流）和空 穴 电流（双极）。当VGE大于开启电压VGE(th）功率MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。IGBT可等效为N沟道功率MOSFET 驱动PNP型管的达林顿结构，结型场效应管JFET承受大部分电压，并且让功率MOSFET承受较低的电压，因此 IGBT 具有较低的导通电阻RDS（ON)。IGBT的电流受栅极电压和跨导限制，并且电流值可能超过额定电流的10倍。当集电极—发射极电压和集电极电流均为正值时，IGBT处于正向导通状态，正向导通分为两个区域。
（1）主动区域。当栅极一发射极电压VGE只是略大于开启电压VGE(th）时，由于沟道电流的饱和效应，沟道会出现一个可观的压降（输出特性中的水平线）。此时，集电极电流跟随VGE而变化。类似于功率MOSFET，可用正向转移斜率gfs 来描述转移特性。即
gfs=dIc/dVGE=Ic/(VGE-VGE(th)）
转移特性在线性放大区域内的转换斜率随集电极电流Ic和集电极一发射极电压VCE的增加而增加，并随芯片温度的降低而减小。在由多个IGBT芯片并联构成的功率模块中，这一区域只是在开关过程中被经过。IGBT模块在这一区域中的稳态运行是不被允许的（如同功率MOSFET模块一样）。其原因是VGE(th）随温度的上升而下降，因此单个芯片之间小小的制造偏差就可能引起温升失衡。
（2）饱和区域。在开关过程中，一旦Ic只是由外部电路所决定，便处于所谓的饱和区域，也被称作导通状态（输出特性中的陡斜部分）。导通特性的主要参数是IGBT的残余电压VCEsat（集电极—发射极饱和压降）。至少对于高截止电压的IGBT 器件来说，由于N-漂眵区的少子存在，使得IGBT的饱和压降明显低于同类型功率MOSFET的通态压降。电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。对于Pr型IGBT的VCEsat在额定电流区域内随温度的升高而下降。而对于NPT型IGBT则是随温度的增加而增加。
2.关断
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果功率MOSFET 电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N 层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度有关。少子的衰减使集电极电流具有尾流波形特征，集电极电流引起功耗升高及交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，表现得更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，IGBT的尾流特性与VCE,Jc和Tc有关。
在IGBT栅极一发射极间施加反压或不加信号时，功率MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。在电感负载关断状态，电压以几伏到 电源电压之间波动，电流从恒定电流到零之间变化。为了避免发生“动态锁定”状态，利用栅极驱动电阻来降低关断dv/dt 并且维持一定的电子电流。
3.反向阻断
当IGBT集电极被施加一个反向电压时，Jl 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力。如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地使压降增大。这也说明了NPT型IGBT 器件的压降比PT型IGBT器件的压降高的原因（Ic和速度相同）。在反向运行状态下，IGBT集电极端的PN结处于截止状态。因此，与功率MOSFET不同的是，IGBT不具备反向导通的能力。
尽管IGBT结构中存在着一个高阻的二极管，但目前的IGBT的反向截止电压仅在数十伏上下，尤其对于NPT型IGBT 来说更是如此。其原因是在设计芯片和它的边缘结构时，注重于追求高的正向截止电压和优化集电极端目的散热。对于需要IGBT开关承受反向电压的应用，到目前为止全部采用了混合结构，即在模块中串联一个快速二极管。因此，IGBT模块在静态反向工作时，它的导通特性只是由外部的或集成在模块内部的二极管的特性来决定。
4.正向阻断
当IGBT栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正 电压时，J3结受反向电压控制。此时，仍然是由 N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。当集电极—发射极电压VCE为正，且栅极—发射极电压VGE小于栅极—发射极开启电压VGE(th）时，在IGBT的集电极和发射极端子之间仅存在着一个很小的集电极—发射极漏电流ICES。ICES随VCE增加而略微增加。当VCE大于某一特定的最高允许的集电极—发射极电压VCES时，IGBT会出现锁定效应。从物理的角度来说，VCES对应了IGBT结构中PNP双极型晶体管的击穿电压VCER。出现锁定现象时，由集电极—基极二极管引起的电流放大效应，可能会导致双极型晶体管的开通，进而导致IGBT的损坏。NPN型晶体管的基极和发射极去几乎被金属化的发射极所短路。它们之间只是被P+阱区的横向电阻所隔开。
应用多种设计措施，类似于针对功率MOSFET在设计上采取的措施一样，使IGBT的单元锁定电流维持在一个较低的水平，从而使正向截止电压能够获得较高的稳定性。
5.锁定
IGBT是P-N -P -N+四层材料构成的，当需要条件（αNPN +αPNP>1）满足时，IGBT导通，在极低的电压下，即使不加栅压，器件也能通过很大的电流，这种现象称为锁定。
N+缓冲层和很宽的外延基区减小了PNP型管的增益，而功率MOSFET的寄生双极型NPN管的增益可以用减小
来实现，但不能减小得过小。若
过小，当较大的空穴流注入后，在关断时将会发生“动态锁定”，从而使寄生NPN管的增益达到很高的数值。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对功率MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。具体地说，IGBT的锁定效应与器件的状态有密切关系。减小或减小器件的总跨导（特别是PNP型管的增益），可以避免出现锁定效应，但是减小器件的总跨导将增加导通损耗并且降低开关速度。通常情况下，静态锁定和动态锁定有如下区别：
（1）当晶闸管全部导通时，静态锁定出现。
（2）只在关断时才会出现动态锁定，这一特殊现象严重地限制了安全工作区。
为防止寄生NPN型晶体管的锁定效应发生，有必要采取以下措施：
（1）防止NPN管部分接通，分别改变布局和掺杂级别。
（2）降低NPN型晶体管的总电流增益。
此外，锁定电流对PNP和NPN 器件的电流增益有一定的影响，因此它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与锁定电流之间保持一定的比例，通常比例为1:5。
