絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，簡稱igbt)是由功率mosfet跟gtr復(fù)合而成的一種具有電壓控制的雙極型自關(guān)斷器件。gtr飽和壓下降，載流密度大，發(fā)電機廠家但驅(qū)動電流較大，驅(qū)動電復(fù)雜;功率mosfet驅(qū)率小，驅(qū)動電簡樸，開關(guān)速率快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。igbt概括了gtr和功率mosfet的優(yōu)點，具有輸出高、開關(guān)速率快、驅(qū)率小、飽跟壓下降、控制電簡樸、耐壓高、功率大等特點，在種種供電變更器中獲得極廣泛的應(yīng)用。由于設(shè)計極品化及近年來利用了大功率存儲器的工藝技能，其特性有了很大的改善，應(yīng)用局限已超出了過來gtr及功率mosfet。自1986年投入市場后，igbt敏捷擴展了應(yīng)用領(lǐng)域，取代了gtr和一部分功率mosfet的市場，成為中、大功率供電電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，沒有只利用于供電系列，而且也普遍應(yīng)用于平常財產(chǎn)、交通運輸、通訊系列、較量爭論機序列、新動力系列，柴油發(fā)電機還應(yīng)用于照明、空調(diào)等家用電器中。目前igbt的產(chǎn)品已類別化，設(shè)備中最高耐壓為6500v，電流為1200a，并在繼承努力前進功率、電壓功率和開關(guān)赫茲?，F(xiàn)在已成為應(yīng)用最廣泛的供電電子器件之一。
絕緣柵雙極型晶體管本性上是一個場效應(yīng)晶體管，在結(jié)構(gòu)上與功率mosfet相似，只是原功率mosfet的漏極跟漏區(qū)之間額外增加了一個p+型層。圖2所示為一個n溝道加強型絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)造剖面圖，n+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為“發(fā)射極”(等效于功率mosfet中的源極)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為“柵極”。n-層為漂移區(qū)，n+層為緩沖區(qū)(這個在igbt中并不是必需)。igbt的構(gòu)造中，柵極和源極與功率mosfet類似，igbt的構(gòu)造與功率mosfet的分歧之處在于igbt在n溝道功率mosfet的n+層上增加了一個p+層，構(gòu)成pn結(jié)j1，并由此引出漏極，在igbt中稱為“集電極”。
在igbt中，與發(fā)射極連接的p區(qū)、漂移區(qū)n-區(qū)、緩沖區(qū)n+區(qū)、p+區(qū)構(gòu)成了一個pnp型晶體管，如圖2所示。銜接集電極的p+型注入層是igbt特有的性能區(qū)，起集電極的作用，向漂浮區(qū)n-區(qū)注入空穴，關(guān)于漂浮區(qū)n-區(qū)舉辦電導(dǎo)調(diào)制，使igbt在守舊狀況下，漂浮區(qū)n-區(qū)貫穿較高的載流子濃度，以下降器件的通態(tài)電壓。
igbt的守舊和關(guān)斷是由柵極電壓來的。當(dāng)柵極加正向電壓時，柵極下方的p區(qū)中構(gòu)成電子載流子導(dǎo)電溝道，電子載流子由發(fā)射極的n+區(qū)通過導(dǎo)電溝道注入n-漂浮區(qū)，即為igbt外部的pnp型晶體管提供基極電壓，從而pnp型晶體管導(dǎo)通，同時也使igbt導(dǎo)通。此時，為維持n-漂移區(qū)的電均衡，p+區(qū)向n-漂浮區(qū)注入空穴載流子，并保持漂移區(qū)n-區(qū)具有較高的載流子濃度，即關(guān)于n-漂浮區(qū)舉行電導(dǎo)調(diào)制，削減漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻，使具有長漂浮區(qū)的高耐壓igbt也具有低的通態(tài)壓降。若柵極上加負(fù)功率時，mosfet內(nèi)的溝道散失，pnp型晶體管的基極功率被切斷，igbt關(guān)斷。
實際上，在igbt構(gòu)造中，除了下面診斷的外部pnp型晶體管外，還擁有一個npn型晶體管，它由與發(fā)射極銜接的n+區(qū)、p體區(qū)、漂浮區(qū)n-區(qū)構(gòu)成。為了防止pnp型與npn型晶體管組合發(fā)生晶閘管效應(yīng)，計劃時盡或者使該npn型晶體管沒有起功效，如圖1中，將npn型晶體管的發(fā)射極和基極用鋁電極短。因此，igbt的基本做工與npn型晶體管有關(guān)，能夠等效為由n溝道m(xù)osfet作為輸入級，pnp型晶體管作為輸出級的達林頓管。igbt相稱于一個由mosfet驅(qū)動的厚基區(qū)pnp型晶體管(見圖3)。igbt綜合了功率mosfet的快速開關(guān)特性和雙極型晶體管導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點。igbt因此雙極型晶體管為主導(dǎo)體、mosfet為驅(qū)動件的復(fù)合器件。
igbt與mosfet是平常的，或許經(jīng)過控制柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)率來實現(xiàn)器件的導(dǎo)通和阻斷。igbt的正向阻斷原理與mosfet相似。當(dāng)柵極功率uge低于門檻功率ut時，在igbt的柵極下方的p體區(qū)內(nèi)，沒無形成n型導(dǎo)電溝道，器件處于阻斷狀況。集電極-發(fā)射極之間的正向電壓使pn結(jié)j2反向偏置，集電極-發(fā)射極之間的電壓幾乎全部由pn結(jié)j2接受，這時只有非常小的漏電流通過漂浮區(qū)由集電極流向發(fā)射極。
當(dāng)加在igbt上的柵極電壓高于門檻電流ut時，同mosfet一般，在igbt的柵極下方的p體區(qū)將構(gòu)成一個導(dǎo)電溝道，將n-漂移區(qū)與igbt的發(fā)射極下方的n+區(qū)連起來，如圖5所示。少量的電子通過導(dǎo)電溝道從發(fā)射極注入n-漂浮區(qū)，成為內(nèi)部pnp型晶體管的基極電壓，由于j1結(jié)正偏，致使大量的空穴由注入?yún)^(qū)p+區(qū)注入n-漂浮區(qū)。注入n-漂浮區(qū)的空穴經(jīng)過漂浮和分散兩種辦法流過漂浮區(qū)，最初抵達p體區(qū)。當(dāng)空穴進入p體區(qū)后來，吸引了大批來自覺射極接觸的金屬的電子，這些電子注入p體區(qū)，并迅速地與空穴復(fù)合，形成器件的導(dǎo)通功率，igbt處于導(dǎo)通狀況。
圖6所示為igbt內(nèi)部等效mosfet跟雙極型晶體管gtr的結(jié)構(gòu)。在igbt導(dǎo)通時，其功率通過外部等效mosfet跟gtr導(dǎo)通。圖6所示為igbt的等效電，igbt為一個mosfet與一個雙極型晶體管達林頓連接而成。igbt導(dǎo)通壓降為
式中，uj1為pn結(jié)j1的導(dǎo)通壓降;udrift為漂移區(qū)體電阻上的壓降;rchannel為p體區(qū)的等效導(dǎo)通電阻。由于在igbt中具有電導(dǎo)調(diào)制作用，使得udrift遠(yuǎn)小于類似工況下功率mosfet的導(dǎo)通壓降，這樣整個igbt的導(dǎo)通壓降將會比mosfet導(dǎo)通壓降要小。
在igbt中，內(nèi)部的pnp型雙極型晶體管和寄生npn型雙極型晶體管形成了一個晶閘管，如圖7所示，具有晶閘管導(dǎo)通時的擎住效應(yīng)。igbt的擎住效應(yīng)或許分為靜態(tài)擎住效應(yīng)和動靜擎住效應(yīng)。
靜態(tài)擎住效應(yīng)發(fā)作于導(dǎo)通形態(tài)的igbt中。在igbt外部擁有兩個晶體管，辨別為pnp型晶體管和npn型晶體管，在npn型晶體管的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)一個等效體區(qū)電阻rbr。當(dāng)igbt導(dǎo)通時，電流流過該體區(qū)電阻rbr，并發(fā)生肯定的壓降，對于npn型晶體管的基極來說，相當(dāng)于加了一個正向偏置功率。在的集電極電流局限內(nèi)，這個正向偏置功率不夠大，因此npn型晶體管沒有會導(dǎo)通。可是，當(dāng)集電極功率增加到肯定值時，這個正向偏置電流將使npn型晶體管導(dǎo)通，而且與pnp型晶體管互相鼓勵，在這兩個晶體管內(nèi)部形成雷同于晶閘管導(dǎo)通時的電壓正反饋現(xiàn)象，使得集電極功率快速上升，抵達飽和狀態(tài)，若是這時igbt的柵極控制燈號撤除了，igbt仍將處于導(dǎo)通狀況，這意味著這時igbt的柵極將得到效用，這種景象稱為“靜態(tài)擎住效應(yīng)”。
igbt在關(guān)斷的歷程中也會產(chǎn)生擎住效應(yīng)，稱為“動態(tài)擎住效應(yīng)”。當(dāng)igbt關(guān)斷時，igbt外部的mosfet機能單位關(guān)斷非常迅速，在j2結(jié)上反向電壓快速建立，j2結(jié)上的電壓厘革引起位移功率cj2(dudc/dt)，該位移電流將在體區(qū)電阻rbr上產(chǎn)生一個使外部寄生npn型晶體管正向偏置的功率。因此igbt關(guān)斷速度越快，j2結(jié)上的電流變化也越快，由此產(chǎn)生的位移電流也越大，當(dāng)位移電流超出某一臨界值后，將使npn型晶體管正偏導(dǎo)通，形成類似晶閘管導(dǎo)經(jīng)過程的電壓正反饋現(xiàn)象饒平柴油發(fā)電機產(chǎn)生動態(tài)擎住效應(yīng)。動靜擎住效應(yīng)首要由電流變化率決議，此外還受集電極電流icm及結(jié)溫等身分影響。動態(tài)擎住效應(yīng)所容許的集電極電流比動態(tài)擎住時的還要小，因此制造廠(商)所的臨界集電極電流icm是按不發(fā)生動態(tài)擎住效應(yīng)所允許的最大集電極功率斷定的。因此在運用igbt時，必要igbt的集電極電壓，使其小于發(fā)明廠(商)的集電極電壓最大值icm。加大柵極驅(qū)動電阻將延長igbt的關(guān)斷時間，無利于減小電流變化率，igbt的動態(tài)擎住效應(yīng)。
igbt的動態(tài)個性是指以柵極驅(qū)動電壓uge為指標(biāo)，igbt通態(tài)電壓與集電極-發(fā)射極電流uce之間的關(guān)聯(lián)曲線。在一定的集電極-發(fā)射極電壓uce下，集電極電流受柵極驅(qū)率uge的控制，uge越高，ic越大。igbt的伏安特性通常分為飽跟區(qū)、線性放大區(qū)、正向阻斷區(qū)和正向擊穿區(qū)四個局部，如圖8所示。igbt導(dǎo)通時，應(yīng)該使igbt運行于飽跟區(qū)；igbt在關(guān)斷形態(tài)下，外加電流由j2結(jié)承擔(dān)，應(yīng)當(dāng)igbt處于正向阻斷區(qū)內(nèi)，此時最大集電極-發(fā)射極電壓沒有該當(dāng)超過擊穿電壓ubr。
圖9為igbt搬動個性示用意。轉(zhuǎn)移特性表示的是igbt集電極電流ic和柵極驅(qū)動電壓uge之間的關(guān)聯(lián)，igbt的轉(zhuǎn)移個性與mosfet的挪動個性雷同。當(dāng)柵極驅(qū)率小于門檻電流ut時，igbt處于關(guān)斷形態(tài)。在igbt導(dǎo)通后的大局部集電極電流局限內(nèi)，當(dāng)柵極驅(qū)動電壓高于門檻電壓ut時，igbt的集電極電流隨著柵極驅(qū)動電壓的減少而減少。最高柵極驅(qū)率受最大漏極電壓，其極好值日常取為15v。
同mosfet一般，igbt的電流轉(zhuǎn)移個性也受溫度的影響，當(dāng)處于大功率區(qū)域，在相同的柵極驅(qū)動電壓條件下，集電極電壓和著溫度的回升而下降，表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)特性。


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