绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是什么意思
绝缘栅双极型晶体管(igbt)是什么意思
igbt(insulated gate bipolar transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;mosfet驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为1500v的高压变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
图1所示为一个n 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， n+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。n+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的p 型区（包括p+ 和p 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ subchannel region ）。而在漏区另一侧的p+ 区称为漏注入区（ drain injector ），它是igbt 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成pnp 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。
igbt 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给pnp 晶体管提供基极电流，使igbt 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使igbt 关断。igbt 的驱动方法和mosfet 基本相同，只需控制输入极n一沟道mosfet ，所以具有高输入阻抗特性。当mosfet 的沟道形成后，从p+ 基极注入到n 一层的空穴（少子），对n 一层进行电导调制，减小n 一层的电阻，使igbt 在高电压时，也具有低的通态电压。
igbt 的工作特性包括静态和动态两类：
1 ．静态特性igbt 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
igbt 的伏安特性是指以栅源电压ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压ugs 的控制，ugs 越高， id 越大。它与gtr 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的igbt ，正向电压由j2 结承担，反向电压由j1结承担。如果无n+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入n+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了igbt 的某些应用范围。
igbt 的转移特性是指输出漏极电流id 与栅源电压ugs 之间的关系曲线。它与mosfet 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压ugs(th) 时，igbt 处于关断状态。在igbt 导通后的大部分漏极电流范围内， id 与ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15v左右。
igbt 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。igbt 处于导通态时，由于它的pnp 晶体管为宽基区晶体管，所以其b 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过mosfet 的电流成为igbt 总电流的主要部分。此时，通态电压uds(on) 可用下式表示
uds(on) ＝ uj1 ＋ udr ＋ idroh
式中uj1 —— ji 结的正向电压，其值为0.7 ～1v ；udr ——扩展电阻rdr 上的压降；roh ——沟道电阻。
通态电流ids 可用下式表示：
ids=(1+bpnp)imos
式中imos ——流过mosfet 的电流。
由于n+ 区存在电导调制效应，所以igbt 的通态压降小，耐压1000v的igbt 通态压降为2 ～ 3v 。igbt 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
2 ．动态特性igbt 在开通过程中，大部分时间是作为mosfet 来运行的，只是在漏源电压uds 下降过程后期， pnp 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。
igbt的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为igbt栅极- 发射极阻抗大，故可使用mosfet驱动技术进行触发，不过由于igbt的输入电容较mosfet为大，故igbt的关断偏压应该比许多mosfet驱动电路提供的偏压更高。
igbt的开关速度低于mosfet，但明显高于gtr。igbt在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。igbt的开启电压约3～4v，和mosfet相当。igbt导通时的饱和压降比mosfet低而和gtr接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。
正式商用的高压大电流igbt器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10kv以上。目前只能通过igbt高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士abb公司采用软穿通原则研制出了8kv的igbt器件，德国的eupec生产的6500v/600a高压大功率igbt器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发igbt的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。
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图1所示为一个n 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， n+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。n+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的p 型区（包括p+ 和p 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ subchannel region ）。而在漏区另一侧的p+ 区称为漏注入区（ drain injector ），它是igbt 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成pnp 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。
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