IGBT到底是啥？

2024-05-06 08:37:25· 来源：电控知识搬运工

1. IGBT简介

IGBT，全称绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是一个结合了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极型晶体管）特点的复合器件。IGBT既不是纯粹的MOSFET，也不是纯粹的BJT，而是两者的优势融合。IGBT通过MOSFET的栅极电压控制BJT的导通与关断，从而实现了高输入阻抗和大电流的特点。MOSFET的栅极电压控制提供了低驱动功率，而BJT的双载流子特性则实现了低导通压降。

2. 传统MOSFET

为了理解IGBT，我们先来探讨一下功率MOSFET（Power MOSFET）的结构和工作原理。

高电压：为了实现高电压，Power MOSFET采用了特殊的结构。Gate端通过场氧垫隔离与漏极的距离，Bulk端的PN结击穿通过降低PN结两边的浓度来防止，而Source端则需要一个长长的漂移区来作为漏极串联电阻分压。

大电流：Power MOSFET的沟道长度由两次扩散的结深差来控制，可以做得很小且不受光刻精度的限制。器件的电流取决于宽度与长度的比例（W/L），因此要提高电流，只需要提高宽度（W）即可。

结构：Power MOSFET也叫做LDMOS（横向双扩散MOS），但由于其源、栅、漏三端都在表面，因此漏极与源极之间需要较大的间距。

虽然Power MOSFET能够实现大功率要求，但它仍然有其固有的缺点，如源、栅、漏三端都在表面，导致漏极与源极需要较大的间距。而IGBT的出现，正是为了克服这些缺点，提供更高效、更可靠的解决方案。

3. IGBT结构与原理

1）IGBT的基本结构

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）从结构上看，与Power MOSFET非常接近，但在其背面的漏电极增加了一个P+层，我们称之为Injection Layer。这个P+层的引入，使得IGBT在导通时，除了MOSFET的电子外，还能从漏端注入空穴，从而实现两种载流子（电子和空穴）参与导电，大大提高了其电流驱动能力。

2）IGBT工作原理

导电机制：IGBT在导通时，电子从源极（Source）注入，并通过MOSFET的沟道流向漏极（Drain）。同时，由于P+层的存在，空穴从漏极注入并参与导电，形成类似于BJT（双极型晶体管）的导电机制。

Latch-up问题：由于IGBT的结构类似于PNPN的Thyristor（晶闸管），存在潜在的Latch-up问题。为了避免Latch-up，需要控制Rs，使得α1+α2<1。

关断特性：当IGBT关断时，沟道很快关断，多子电流消失。但由于空穴的注入效应，Collector（Drain）端仍有少子空穴注入，导致器件的电流需要慢慢才能关闭（拖尾电流）。为了提高关断频率，引入了PT-IGBT（Punch Through型）结构，在P+与N-drift之间加入N+buffer层，使空穴在N+buffer层迅速复合。

3）IGBT类型

NPT-IGBT：没有N+buffer层的IGBT。由于其P+衬底较薄，空穴注入较少，因此NPT-IGBT通常具有正温度系数。

PT-IGBT：在P+与N-drift之间加入N+buffer层的IGBT。PT-IGBT的关断频率更高，但Vce(sat)（饱和压降）通常较NPT-IGBT高。

4. IGBT新技术

随着电力电子技术的不断发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）也在持续进化，以满足日益增长的高功率和高效率需求。以下是两种IGBT的新技术：

1）场截止FS-IGBT

传统的PT-IGBT和NPT-IGBT结构在追求高功率时都面临一定的挑战。为了降低Vce(sat)和Ron（导通电阻），需要减少N-drift层的厚度。然而，N-drift层太薄容易导致沟道穿通。为了解决这个问题，FS-IGBT（场截止FS-IGBT）技术应运而生。

FS-IGBT在P+注入层与N-drift层之间引入了一个N+场截止层（Field Stop, FS）。当IGBT处于关闭状态时，电场在截止层内迅速降低到0，从而有效限制了N-drift层的厚度，进一步降低了Ron和Vce。此外，这种结构与PT-IGBT中的N+ buffer层类似，也能有效抑制关闭状态下的拖尾电流，提高关闭速度。

与PT-IGBT相比，FS-IGBT的制作工艺更为简单且成本较低。它是在NPT-IGBT的基础上直接在背面打入高浓度的N+截止层，而PT-IGBT则需要通过两层外延生长（EPI）工艺来制作N+ buffer和N-Drift层，成本较高。

2）阳极短接（SA: Shorted-Anode）技术

阳极短接技术通过在N+集电极中间歇插入P+集电极来实现。这样，N+集电极可以直接接触场截止层并用作PN二极管的阴极，而P+集电极则继续作为FS-IGBT的集电极。这种结构不仅增强了电流特性，还改变了成本结构，因为不再需要共封装反并联二极管。

实验证明，采用阳极短接技术的IGBT可以提高饱和电流并降低饱和压降约12%。这为高功率应用提供了更为高效和经济的解决方案。