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IGBT基础知识&IGBT用胶方案

2018-04-23

1.IGBT的基本结构

绝缘栅双极晶体管(IGBT)本质上是一个场效应晶体管,只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议,其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。

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。

为了兼顾长期以来人们的习惯,IEC规定:源极引出的电极端子(含电极端)称为发射极端(子),漏极引出的电极端(子)称为集电极端(子)。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。

IGBT的结构剖面图如图2所示。它在结构上类似于MOSFET ,其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET 的N+基板(漏极)上增加了一个P+ 基板(IGBT 的集电极),形成PN结j1 ,并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。

图1      N沟道IGBT结构  

      

                   图2      IGBT的结构剖面图


由图2可以看出,IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ,其简化等效电路如图3所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。

N沟道IGBT的图形符号有两种,如图4所示。实际应用时,常使用图2-5所示的符号。对于P沟道,图形符号中的箭头方向恰好相反,如图4所示。

IGBT 的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时,MOSFET 内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通,此时,从P+区注到N一区进行电导调制,减少N一区的电阻 Rdr值,使高耐压的 IGBT 也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时,MOSFET 内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT 即关断。

正是由于 IGBT 是在N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一层 P+ 基板,形成了四层结构,由PNP-NPN晶体管构成 IGBT 。但是,NPN晶体管和发射极由于铝电极短路,设计时尽可能使NPN不起作用。所以说, IGBT 的基本工作与NPN晶体管无关,可以认为是将 N 沟道 MOSFET 作为输入极,PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。

采取这样的结构可在 N一层作电导率调制,提高电流密度。这是因 为从 P+ 基板经过 N+ 层向高电阻的 N一层注入少量载流子的结果。 IGBT 的设计是通过 PNP-NPN 晶体管的连接形成晶闸管。

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