絕緣柵雙極電晶體:器件介紹,結構,工作特性,靜態特性,動態特性,工作原理,發展前景

絕緣柵雙極電晶體（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）綜合了電力電晶體（Giant Transistor—GTR）和電力場效應電晶體（Power MOSFET）的優點，具有良好的特性，套用領域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發射極。

基本介紹

中文名：絕緣柵雙極電晶體
外文名：Insulated gate bipolar transistor
類型：電晶體
英文縮寫：IGBT
套用：二極體套用
學科：電子工程

器件介紹,結構,工作特性,靜態特性,動態特性,工作原理,發展前景,

器件介紹

絕緣柵雙極電晶體（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）綜合了電力電晶體（Giant Transistor—GTR）和電力場效應電晶體（Power MOSFET）的優點，具有良好的特性，套用領域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發射極。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結構雙極器件，屬於具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的套用範圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。多使用在工業用電機、民用小容量電機、變換器（逆變器）、照相機的頻閃觀測器、感應加熱（InductionHeating）電飯鍋等領域。根據封裝的不同，IGBT大致分為兩種類型，一種是模壓樹脂密封的三端單體封裝型，從TO－3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD （FleeWheelDiode）成對地（2或6組）封裝起來的模組型，主要套用在工業上。模組的類型根據用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。

IGBT是強電流、高壓套用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。MOSFET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 高出很多。IGBT較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，與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。

結構

圖1（a）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。N+ 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。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區（包括P+ 和P 一區）（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。

IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 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，流過反向基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道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 一層的空穴（少子），對N 一層進行電導調製，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。

工作特性

靜態特性

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 為參變數時，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 的某些套用範圍。

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。

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，只有很小的泄漏電流存在。

動態特性

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。實際套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。

正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子套用技術發展的需求，特別是在高壓領域的許多套用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上。目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓套用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司採用軟穿通原則研製出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際套用，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，主要採用1um以下製作工藝，研製開發取得一些新進展。

工作原理

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。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。

導通

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。基片的套用在管體的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，那么，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。

導通壓降

電導調製效應使電阻RN減小，使通態壓降小。

關斷

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。

鑒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。

反向阻斷

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。

正向阻斷

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。

閂鎖

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：

當晶閘管全部導通時，靜態閂鎖出現。

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。

發展前景

2010年，中國科學院微電子研究所成功研製國內首款可產業化IGBT晶片，由中國科學院微電子研究所設計研發的15-43A /1200V IGBT系列產品（採用Planar NPT器件結構）在華潤微電子工藝平台上流片成功，各項參數均達到設計要求，部分性能優於國外同類產品。這是我國國內首款自主研製可產業化的IGBT（絕緣柵雙極電晶體）產品，標誌著我國全國產化IGBT晶片產業化進程取得了重大突破，擁有了第一條專業的完整通過客戶產品設計驗證的IGBT工藝線。該科研成果主要面向家用電器套用領域，聯合江蘇矽萊克電子科技有限公司進行市場推廣，目前正由國內著名的家電企業用戶試用，微電子所和華潤微電子將聯合進一步推動國產自主IGBT產品的大批量生產。

絕緣柵雙極電晶體