結構

    igbt結構圖左邊所示為一個n溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， n+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。p+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的p型區(qū)(包括p+和p-區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)(subchannel region)。而在漏區(qū)另一側的p+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)(drain injector)，它是igbt特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成pnp雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。

    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)晶體管提供基極電流，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m(xù)osfet，所以具有高輸入阻抗特性。當mosfet的溝道形成后，從p+基極注入到n-層的空穴(少子)，對n-層進行電導調制，減小n-層的電阻，使igbt在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。

    工作特性

    igbt 的靜態(tài)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系曲線。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(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態(tài)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+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入n+緩沖區(qū)后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了igbt 的某些應用范圍。

    igbt 的轉移特性是指輸出漏極電流id 與柵源電壓ugs 之間的關系曲線。它與mosfet 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓ugs(th) 時，igbt 處于關斷狀態(tài)。在igbt 導通后的大部分漏極電流范圍內， id 與ugs呈線性關系。 高柵源電壓受 大漏極電流限制，其 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系。igbt 處于導通態(tài)時，由于它的pnp 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其b 值極低。盡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(tài)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(tài)電流ids 可用下式表示：

    ids=(1+bpnp)imos

    式中imos ——流過mosfet 的電流。

    由于n+ 區(qū)存在電導調制效應，所以igbt 的通態(tài)壓降小，耐壓1000v的igbt 通態(tài)壓降為2 ～ 3v 。igbt 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。

    動態(tài)特性

    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 下降過程后期， pnp 晶體管由放大區(qū)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(fā)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，必須基于以下的參數(shù)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(fā)射極阻抗大，故可使用mosfet驅動技術進行觸發(fā)，不過由于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在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗閙osfet關斷后，pnp晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間

    t(off)=td(off)+trv十t(f)

    式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

    igbt的開關速度低于mosfet，但明顯高于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(fā)射極并聯(lián)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。

    正式商用的igbt器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發(fā)展的需求;高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10kv以上，目前只能通過igbt高壓串聯(lián)等技術來實現(xiàn)高壓應用。國外的一些廠家如瑞士abb公司采用軟穿通原則研制出了8kv的igbt器件，德國的eupec生產的6500v/600a高壓大功率igbt器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發(fā)igbt的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1um以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進展。

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