IGBT 基础教程：第 2 部分IGBT概述

N 沟道 IGBT 基本上是构建在 p 型衬底上的 N 沟道功率 MOSFET，的通用 IGBT 横截面所示。（PT IGBT 有一个额外的 n+ 层，将在后面说明。）因此，IGBT 的操作与功率 MOSFET 非常相似。从发射极施加到栅极端子的正电压导致电子被拉向体区中的栅极端子。如果栅极-发射极电压等于或高于所谓的阈值电压，则足够的电子被吸引到栅极以在体区形成导电通道，从而允许电流从集电极流向发射极。（准确地说，它允许电子从发射极流向集电极。）这种电子流会吸引正离子或空穴，从 p 型衬底到朝向发射极的漂移区。

第一个电路显示了一个 N 沟道功率 MOSFET，该 MOSFET 在达林顿配置中驱动一个宽基极 PNP 双极晶体管。第二个电路简单地显示了一个二极管与 N 沟道功率 MOSFET 的漏极串联。乍一看，IGBT 上的导通状态电压似乎比 N 沟道功率 MOSFET 本身高一个二极管压降。事实上，IGBT 上的导通状态电压始终至少是一个二极管压降。然而，与具有相同裸片尺寸并在相同温度和电流下工作的功率 MOSFET 相比，IGBT 的导通状态电压可以显着降低。这样做的原因是 MOSFET 只是一种多数载流子器件。换句话说，在 N 沟道 MOSFET 中只有电子流动。如前所述，N 沟道 IGBT 中的 p 型衬底将空穴注入漂移区。因此，IGBT 中的电流由电子和空穴组成。这种空穴（少数载流子）的注入显着降低了漂移区对电流的有效阻力。换句话说，空穴注入显着增加了电导率，或者电导率被调制。由此产生的导通电压降低是 IGBT 优于功率 MOSFET 的主要优势。

当然，没有什么是免费的，较低的导通状态电压的代价是较慢的开关速度，尤其是在关断时。这样做的原因是，在关断期间，通过将栅极-发射极电压降低到阈值电压以下，电子流可以相当突然地停止，就像在功率 MOSFET 中一样。然而，空穴留在漂移区，除了电压梯度和重组外，没有办法去除它们。IGBT 在关断期间表现出尾电流，直到所有空穴都被扫除或重新组合。可以控制复合速率，这就是n+ 缓冲层的目的。该缓冲层在关断期间快速吸收捕获的空穴。并非所有 IGBT 都包含 n+ 缓冲层；那些被称为穿通（PT），那些不被称为非穿通（NPT）。

如果 IGBT 在数据表额定值之外运行良好，则较低导通状态电压的另一个代价是可能发生闩锁。闩锁是一种故障模式，其中 IGBT 不能再被栅极关闭。任何 IGBT 都可能因误用而引起闭锁。因此，IGBT 中的闩锁失效机制需要一些解释。

IGBT的基本结构类似于晶闸管，即一系列PNPN结。这可以通过分析更详细的 IGBT 等效电路模型来解释。

所有 N 沟道功率 MOSFET 以及所有 N3 沟道 IGBT 中都存在寄生 NPN 双极晶体管。该晶体管的基极是体区，它与发射极短路以防止其导通。但是请注意，体区有一些电阻，称为体区扩展电阻，如图 3 所示。P 型衬底和漂移区和体区形成 IGBT 的 PNP 部分。PNPN结构形成寄生晶闸管。如果寄生 NPN 晶体管导通并且 NPN 和 PNP 晶体管的增益之和大于 1，就会发生闩锁。通过优化各个区域的掺杂水平和几何形状，通过设计 IGBT 来避免闩锁。

PNP 和 NPN 晶体管的增益设置为使它们的总和小于 1。随着温度升高，PNP 和 NPN 增益增加，以及体区扩展电阻。非常高的集电极电流会在体区产生足够的电压降以开启寄生 NPN 晶体管，并且管芯的过度局部加热会增加寄生晶体管增益，因此它们的总和超过 1。如果发生这种情况，寄生晶闸管会闭锁，IGBT 不能被栅极关断，可能会因过流发热而损坏。这是静态闭锁。关断期间的高 dv/dt 结合过大的集电极电流也可以有效地增加增益并导通寄生 NPN 晶体管。这是动态闩锁，这实际上是限制安全工作区域的原因，因为它可能在比静态闭锁低得多的集电极电流下发生，并且取决于关断 dv/dt。通过保持在最大电流和安全工作区域额定值内，无论关断 dv/dt 如何，都可以避免静态和动态闭锁。请注意，可以通过外部栅极电阻器（以及电路布局中的杂散电感）设置开启和关闭 dv/dt、过冲和振铃。