IGBT器件介绍 IGBT结构与工作原理

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）器件，即绝缘栅双极型晶体管，是一种复合全控型电压驱动式开关功率半导体器件。它结合了双极结型晶体管（BJT）和金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）的特点，能够实现高电压和高电流的控制。以下是关于IGBT器件的详细介绍，包括其结构和工作原理：

IGBT结构

IGBT的结构可以分为表面栅极结构和体Si结构两部分。表面栅极结构主要有两种类型：平面栅结构和沟槽栅结构。

平面栅结构：栅极形成在晶圆表面，具有简单的结构。

沟槽栅结构：栅极形成在晶圆表面的沟槽中，这种结构将平面栅的表面沟道移到体内，消除了平面栅结构中的JFET区，提高了器件的电流密度。

体Si结构根据器件在反向耐压时耗尽区是否到达集电区可以分为穿通型（PT）IGBT、非穿通型（NPT）IGBT以及FS型IGBT（可以看作是穿通型的改进结构）。

IGBT的基本结构包含以下几个部分：

P-collector、N-drift和P-base区构成PNP晶体管部分。

N+源区、P-base基区以及N-drift作为漏区共同构成NMOS结构。

IGBT工作原理

IGBT的工作原理大致可分为四个阶段：

开启（Turn-On）阶段：当输入信号（称为栅极信号）被应用于IGBT的控制端时，栅极电极上形成强电场，这个电场通过绝缘层作用于底部的N型材料。这个电场吸引P型材料中的载流子向绝缘层附近靠拢。

激活（Activation）阶段：当达到一定电压时，底部的N型材料中的P-N结将会被击穿，载流子开始穿越绝缘层并进入N型材料。在激活期间，绝缘层的电容会存储一定电量。

饱和（Saturation）阶段：一旦激活完成，电流开始自绝缘层源源不断地流入P型材料，使其达到饱和状态。在饱和状态下，整个电流将通过P-N结和N型材料。

关断（Turn-Off）阶段：当栅极信号被取消时，电场在较短的时间内被去激活。此时，绝缘层上存储的电荷被释放，并迅速恢复到初的非激活状态。IGBT进入到可关断状态。

需要注意的是，IGBT的开关速度相对较低，由于PN结的扩散和复合时间会导致一定的开关延迟。因此，在高频应用和快速开关场景中，MOSFET可能会更为适合。

总结

IGBT器件凭借其独特的结构和工作原理，在工业控制、变频器、电力传输等应用中得到了广泛使用。其结合了MOSFET和BJT的优点，能够实现高电压和高电流的控制，为现代电力电子系统的发展提供了重要的技术支持。