这篇让你快速搞懂IGBT的静态特性
igbt的静态特性其实并非难以理解的东西,即便是对于外行人而言。
刚接触那会儿，看到转移特性、输出特性之类的就想溜之大吉，加之网上查询的资料一概笼统简单，只描述特性曲线所表示的关系结果，却并不解释曲线为何这里弯曲、那里平直，于是更加烦恼。
但是，像我这样的心态，迟早被生活按在地上摩擦！所以最终还是安安心心去啃书整合资料了。为了让即将走上和我一样道路的小伙伴能更高效快速地搞懂igbt的静态特性，接下来我将用最简单的语言为大家解释其中原理。
小伙伴们在网上查询“igbt静态特性”时，总会出现图1所示的两种曲线：其中左侧用于表示i c -vge关系的曲线叫做转移特性曲线，右侧表示i c -vce关系的曲线叫做输出特性曲线。
图1.igbt的转移特性曲线及输出特性曲线
先从简单的入手，我们来解释转移特性曲线。
转移特性(transfer characteristic)
igbt的转移特性曲线是指输出集电极电流ic与栅极-发射极电压vge之间的关系曲线。
通过对igbt内部结构的基本了解，我们知道igbt可以理解为由mosfet和pnp晶体管组成的复合晶体管，它的转移特性与mosfet十分类似。为了便于理解，这里我们可通过分析mosfet来理解igbt的转移特性。
图2.mosfet截面示意图
当mosfet的栅极-源极电压v gs =0v时 ，源极s和漏极d之间相当于存在两个背靠背的pn结，因此不论漏极-源极电压vds之间加多大或什么极性的电压，总有一个pn结处于反偏状态，漏、源极间没有导电沟道，器件无法导通，漏极电流id为n ^+^ pn ^+^ 管的漏电流，接近于0。
当0gs gs（th） 时 ，栅极电压增加，栅极g和衬底p间的绝缘层中产生电场，使得少量电子聚集在栅氧下表面，但由于数量有限，沟道电阻仍然很大，无法形成有效沟道，漏极电流id仍然约为0。
当v gs ≥v gs（th） 时 ，栅极g和衬底p间电场增强，可吸引更多的电子，使得衬底p区反型，沟道形成，漏极和源极之间电阻大大降低。此时，如果漏源之间施加一偏置电压，mosfet会进入导通状态。在大部分漏极电流范围内id与vgs成线性关系，如图3所示。
图3.mosfet转移特性曲线
这里mosfet的栅源电压vgs类似于igbt的栅射电压v ge ，漏极电流id类似于igbt的集电极电流i c 。igbt中，当v ge ≥v ge（th） 时，igbt表面形成沟道，器件导通。
输出特性(output characteristic)
igbt的输出特性通常表示的是以栅极-发射极电压vge为参变量时，漏极电流ic和集电极-发射极电压vce之间的关系曲线。
由于igbt可等效理解为mosfet和pnp的复合结构，它的输出特性曲线与mosfet强相关，因此这里我们依旧以mosfet为例来讲解其输出特性。
图4.mosfet的输出特性曲线
由于研究输出特性时，我们通常以栅源电压vgs为参变量，因此这里假设vgs为某一固定值且v gs >v gs（th） 。
在漏极电流id达到饱和之前，v ds >0 v且较小，此时，v gd ＞0v且接近于v gs ，整个沟道存在大量的电子，等效于电阻，因此从输出特性曲线上看，该部分呈线性变化，如图4可变电阻区所示。此时沟道呈图5所示。
图5.v gd >0v时mosfet剖面图
随着vds继续增大，vgd逐渐降低，因此漏极附近的反型层电荷密度逐渐减小，漏、源之间的电阻逐渐增加，i d -vds的斜率也逐渐减小。
当v gd =0时，漏极附近的反型层电荷密度减小为0，i d -vds的斜率减小为0，沟道开始夹断(称之为预夹断)，此时漏极电流id趋于饱和，不再随vds的增加而增大，此时沟道呈图6所示。
图6.v gd =0 v时mosfet剖面图
当v gd ＜0 v时，漏极附近的沟道区开始耗尽，增加的vds主要由耗尽区承担，vd's基本保持不变，此后漏极电流饱和，如图4恒流区所示。此时沟道如图7所示。
图7.v gd ＜0 v时mosfet剖面图
当vds继续增加，漏极n ^+^ 区与衬底p区之间的pn结两端的电压降达到雪崩击穿电压，该pn结发生雪崩击穿，id迅速增大，如图4击穿区所示。
以上三个过程用曲线表现的结果如图4所示。
其中当v ds >0且较小时，id随着vds的增大而增大，这部分区域在mosfet中称为可变电阻区，在igbt中称为非饱和区；当vds继续增大，i d -vds的斜率逐渐减小为0时，该部分区域在mosfet中称为恒流区，在igbt中称为饱和区；当vds增加到雪崩击穿时，该区域在mosfet和igbt中都称为击穿区。
igbt的栅极-发射极电压vge类似于mosfet的栅极-源极电压v gs ，集电极电流ic类似于漏极电流i d ，集电极-发射极电压vce类似于漏源电压v ds 。
细心的童鞋们从图4和图1右的输出特性曲线可以看出，在线性区它们之间存在差异（没注意到的小伙伴也可以直接看下图中红框所标位置）。
这主要是由于igbt在导通初期，发射极p ^+^ /n ^-^ 结需要约为0.7v的电压降使得该结从零偏转变为正偏所导致的。
至此，igbt静态特性的曲线就分析完啦。
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但是，像我这样的心态，迟早被生活按在地上摩擦！所以最终还是安安心心去啃书整合资料了。为了让即将走上和我一样道路的小伙伴能更高效快速地搞懂igbt的静态特性，接下来我将用最简单的语言为大家解释其中原理。
小伙伴们在网上查询“igbt静态特性”时，总会出现图1所示的两种曲线：其中左侧用于表示i c -vge关系的曲线叫做转移特性曲线，右侧表示i c -vce关系的曲线叫做输出特性曲线。
图1.igbt的转移特性曲线及输出特性曲线
先从简单的入手，我们来解释转移特性曲线。
转移特性(transfer characteristic)
igbt的转移特性曲线是指输出集电极电流ic与栅极-发射极电压vge之间的关系曲线。
通过对igbt内部结构的基本了解，我们知道igbt可以理解为由mosfet和pnp晶体管组成的复合晶体管，它的转移特性与mosfet十分类似。为了便于理解，这里我们可通过分析mosfet来理解igbt的转移特性。
图2.mosfet截面示意图
当mosfet的栅极-源极电压v gs =0v时 ，源极s和漏极d之间相当于存在两个背靠背的pn结，因此不论漏极-源极电压vds之间加多大或什么极性的电压，总有一个pn结处于反偏状态，漏、源极间没有导电沟道，器件无法导通，漏极电流id为n ^+^ pn ^+^ 管的漏电流，接近于0。
当0gs gs（th） 时 ，栅极电压增加，栅极g和衬底p间的绝缘层中产生电场，使得少量电子聚集在栅氧下表面，但由于数量有限，沟道电阻仍然很大，无法形成有效沟道，漏极电流id仍然约为0。
当v gs ≥v gs（th） 时 ，栅极g和衬底p间电场增强，可吸引更多的电子，使得衬底p区反型，沟道形成，漏极和源极之间电阻大大降低。此时，如果漏源之间施加一偏置电压，mosfet会进入导通状态。在大部分漏极电流范围内id与vgs成线性关系，如图3所示。
图3.mosfet转移特性曲线
这里mosfet的栅源电压vgs类似于igbt的栅射电压v ge ，漏极电流id类似于igbt的集电极电流i c 。igbt中，当v ge ≥v ge（th） 时，igbt表面形成沟道，器件导通。
输出特性(output characteristic)
igbt的输出特性通常表示的是以栅极-发射极电压vge为参变量时，漏极电流ic和集电极-发射极电压vce之间的关系曲线。
由于igbt可等效理解为mosfet和pnp的复合结构，它的输出特性曲线与mosfet强相关，因此这里我们依旧以mosfet为例来讲解其输出特性。
图4.mosfet的输出特性曲线
由于研究输出特性时，我们通常以栅源电压vgs为参变量，因此这里假设vgs为某一固定值且v gs >v gs（th） 。
在漏极电流id达到饱和之前，v ds >0 v且较小，此时，v gd ＞0v且接近于v gs ，整个沟道存在大量的电子，等效于电阻，因此从输出特性曲线上看，该部分呈线性变化，如图4可变电阻区所示。此时沟道呈图5所示。
图5.v gd >0v时mosfet剖面图
随着vds继续增大，vgd逐渐降低，因此漏极附近的反型层电荷密度逐渐减小，漏、源之间的电阻逐渐增加，i d -vds的斜率也逐渐减小。
当v gd =0时，漏极附近的反型层电荷密度减小为0，i d -vds的斜率减小为0，沟道开始夹断(称之为预夹断)，此时漏极电流id趋于饱和，不再随vds的增加而增大，此时沟道呈图6所示。
图6.v gd =0 v时mosfet剖面图
当v gd ＜0 v时，漏极附近的沟道区开始耗尽，增加的vds主要由耗尽区承担，vd's基本保持不变，此后漏极电流饱和，如图4恒流区所示。此时沟道如图7所示。
图7.v gd ＜0 v时mosfet剖面图
当vds继续增加，漏极n ^+^ 区与衬底p区之间的pn结两端的电压降达到雪崩击穿电压，该pn结发生雪崩击穿，id迅速增大，如图4击穿区所示。
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其中当v ds >0且较小时，id随着vds的增大而增大，这部分区域在mosfet中称为可变电阻区，在igbt中称为非饱和区；当vds继续增大，i d -vds的斜率逐渐减小为0时，该部分区域在mosfet中称为恒流区，在igbt中称为饱和区；当vds增加到雪崩击穿时，该区域在mosfet和igbt中都称为击穿区。
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细心的童鞋们从图4和图1右的输出特性曲线可以看出，在线性区它们之间存在差异（没注意到的小伙伴也可以直接看下图中红框所标位置）。
这主要是由于igbt在导通初期，发射极p ^+^ /n ^-^ 结需要约为0.7v的电压降使得该结从零偏转变为正偏所导致的。
至此，igbt静态特性的曲线就分析完啦。
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