IGBT器件介绍 IGBT结构与工作原理

出处:维库电子市场网 发布于:2024-06-24 17:48:09

  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)器件,即绝缘栅双极型晶体管,是一种复合全控型电压驱动式开关功率半导体器件。它结合了双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的特点,能够实现高电压和高电流的控制。以下是关于IGBT器件的详细介绍,包括其结构和工作原理:
  IGBT结构
  IGBT的结构可以分为表面栅极结构和体Si结构两部分。表面栅极结构主要有两种类型:平面栅结构和沟槽栅结构。
  平面栅结构:栅极形成在晶圆表面,具有简单的结构。
  沟槽栅结构:栅极形成在晶圆表面的沟槽中,这种结构将平面栅的表面沟道移到体内,消除了平面栅结构中的JFET区,提高了器件的电流密度。
  体Si结构根据器件在反向耐压时耗尽区是否到达集电区可以分为穿通型(PT)IGBT、非穿通型(NPT)IGBT以及FS型IGBT(可以看作是穿通型的改进结构)。
  IGBT的基本结构包含以下几个部分:
  P-collector、N-drift和P-base区构成PNP晶体管部分。
  N+源区、P-base基区以及N-drift作为漏区共同构成NMOS结构。
  IGBT工作原理
  IGBT的工作原理大致可分为四个阶段:
  开启(Turn-On)阶段:当输入信号(称为栅极信号)被应用于IGBT的控制端时,栅极电极上形成强电场,这个电场通过绝缘层作用于底部的N型材料。这个电场吸引P型材料中的载流子向绝缘层附近靠拢。
  激活(Activation)阶段:当达到一定电压时,底部的N型材料中的P-N结将会被击穿,载流子开始穿越绝缘层并进入N型材料。在激活期间,绝缘层的电容会存储一定电量。
  饱和(Saturation)阶段:一旦激活完成,电流开始自绝缘层源源不断地流入P型材料,使其达到饱和状态。在饱和状态下,整个电流将通过P-N结和N型材料。
  关断(Turn-Off)阶段:当栅极信号被取消时,电场在较短的时间内被去激活。此时,绝缘层上存储的电荷被释放,并迅速恢复到初的非激活状态。IGBT进入到可关断状态。
  需要注意的是,IGBT的开关速度相对较低,由于PN结的扩散和复合时间会导致一定的开关延迟。因此,在高频应用和快速开关场景中,MOSFET可能会更为适合。
  总结
  IGBT器件凭借其独特的结构和工作原理,在工业控制、变频器、电力传输等应用中得到了广泛使用。其结合了MOSFET和BJT的优点,能够实现高电压和高电流的控制,为现代电力电子系统的发展提供了重要的技术支持。
关键词:IGBT器件

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