晶閘管是現代電子學中使用最多的元件，邏輯電路用于開關和放大。BJT和MOSFET是最常用的晶體管類型，它們每個都有自己的優(yōu)勢和一些限制。IGBT(絕緣柵雙極晶體管)將BJT和MOSFET的最佳部分結合到一個晶體管中。它具有MOSFET(絕緣柵極)的輸入特性(高輸入阻抗)和BJT(雙極性質)的輸出特性。

#1什么是IGBT?

What is IGBT?

IGBT或絕緣柵雙極晶體管是BJT和MOSFET的組合。它的名字也暗示了它們之間的融合?！敖^緣柵”是指MOSFET的輸入部分具有很高的輸入阻抗。它不吸收任何輸入電流，而是在其門端電壓上工作?！半p極”是指BJT的輸出部分具有雙極性質，其中電流是由兩種類型的載流子引起的。它允許它處理非常大的電流和電壓使用小電壓信號。這種混合組合使IGBT成為電壓控制器件。

它是一種具有三個PN結的四層PNPN器件。它有三個終端門(G)，集電極(C)和發(fā)射極(E)。終端的名字也意味著取自兩個晶體管。柵極終端，因為它是輸入部分，取自MOSFET，而集電極和發(fā)射極，因為它們是輸出，取自BJT。

#2IGBT的建設

Construction of IGBT

IGBT由四層半導體構成PNPN結構。集電極(C)連接在P層上，發(fā)射極(E)連接在P層和N層之間。P+襯底用于構建IGBT。在其上放置N層形成PN結J1。在N層上制備了兩個P區(qū)，形成PN結J2。P區(qū)是這樣設計的，以便在中間為柵極(G)電極留下一條路徑。如圖所示，N+區(qū)域擴散在P區(qū)域上。

發(fā)射極和柵極是金屬電極。發(fā)射器直接連接到N+區(qū)域，而柵極則使用二氧化硅層進行絕緣。堿性P+層向N層注入孔洞，這就是為什么它被稱為注入層。而N層稱為漂移區(qū)。其厚度與電壓阻斷能力成正比。上面的P層被稱為IGBT的主體。

所述N層被設計為具有在發(fā)射極和集電極之間通過在柵電極電壓影響下產生的溝道的電流流過的通路。

#3IGBT的等效結構

Equivalent Structure of IGBT

我們知道IGBT是MOSFET的輸入和BJT的輸出的組合，它具有與n溝道MOSFET和PNP BJT在達靈頓配置中的等效結構。漂移區(qū)的阻力也可以考慮在內。

如果我們看一下上面IGBT的結構，就會發(fā)現電流流動的路徑不止一條。電流路徑從集電極指向發(fā)射極。第一個路徑是“集電極，P+襯底，N-， P -發(fā)射極”。這個路徑已經提到了在等效結構中使用PNP晶體管。第二條路徑是“集電極，P+襯底，N-， P, N+，發(fā)射極”。為了包含這條路徑，必須在結構中包含另一個NPN晶體管，如下圖所示。

#4IGBT的工作原理

FPC advantages and disadvantages

IGBT集電極(C)和發(fā)射極(E)的兩個端子用于導通電流，柵極(G)用于控制IGBT。它的工作原理是基于柵極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極之間的偏置。

將集電極-發(fā)射極連接到Vcc，使得集電極保持在比發(fā)射極高的正電壓。j1變成正向偏置，j2變成反向偏置。此時，柵極處沒有電壓。由于反向j2, IGBT保持關閉，沒有電流將在集電極和發(fā)射極之間流動。

施加比發(fā)射極正的柵極電壓VG，由于電容作用，負電荷將在SiO2層正下方積聚。增加VG會增加電荷的數量，當VG超過閾值電壓時，在p區(qū)上部最終形成一層電荷。該層形成N-通道，短化N漂區(qū)和N+區(qū)。

從發(fā)射極流出的電子從N+區(qū)流入N漂移區(qū)。而集電極上的空穴則從P+區(qū)注入到N漂移區(qū)。由于漂移區(qū)中電子和空穴的過量，使其電導率增加，并開始傳導電流。因此，IGBT開關打開。

#5IGBT的類型

Types of IGBT

基于包含N+緩沖層的IGBT有兩種類型。這個額外層的包含將它們分為對稱的和不對稱的IGBT。

1Punch through IGBT

打通IGBT

通過IGBT打孔包括N+緩沖層，由于它也被稱為不對稱IGBT。它們具有不對稱的電壓阻斷能力，即它們的正向和反向擊穿電壓是不同的。它們的反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓。它具有更快的切換速度。

通過igbt的穿孔是單向的，不能處理反向電壓。因此，它們被用于直流電路，如逆變器和斬波電路。

2Non Punch through IGBT

不通過IGBT打孔

由于沒有額外的N+緩沖層，它們也被稱為對稱IGBT。結構的對稱性提供了對稱的擊穿電壓特性，即正向擊穿電壓和反向擊穿電壓相等。由于這個原因，它們被用于交流電路中。

#6IGBT的V-I特性

V-I Characteristics of IGBT

與BJT不同，IGBT是一種電壓控制器件，其柵極只需要一個小電壓來控制集電極電流。然而，柵極-發(fā)射極電壓VGE需要大于閾值電壓。

IGBT的傳輸特性顯示了輸入電壓VGE與輸出集電極電流IC的關系，當VGE為0v時，沒有IC，設備保持關閉狀態(tài)。當VGE略有增加但保持在閾值電壓VGET以下時，器件保持斷開狀態(tài)，但存在漏電流。當VGE超過閾值時，I-C開始增加，設備上電。因為它是一個單向裝置，所以電流只向一個方向流動。

該圖顯示了不同電壓梯度下集電極電流與集電極-發(fā)射極電壓的關系。在VGE < VGET時，IGBT處于截止模式，IC在任何VCE都= 0。當VGE > VGET時，IGBT進入主動模式，IC隨著VCE的增加而增加。此外，對于VGE1 < VGE2 < VGE3的每個VGE, IC是不同的。

反向電壓不應超過反向擊穿極限。正向電壓也是。如果它們超過各自的擊穿限制，不受控制的電流開始通過它。

General Comparison with BJT and MOSFET

與BJT和MOSFET的一般比較

正如我們上面所討論的，IGBT采用了BJT和MOSFET的最佳部分。因此，它在幾乎所有方面都是優(yōu)越的。以下是IGBT、BJT和MOSFET的一些特性對比圖。我們正在比較功率器件的最大性能。

#7IGBT的優(yōu)點和缺點

Advantages&Disadvantages of IGBT

1Advantages

優(yōu)點

IGBT整體上具有BJT和MOSFET的優(yōu)點。

●具有更高的電壓和電流處理能力

●有很高的輸入阻抗

●可以用非常低的電壓切換非常大的電流

●是電壓控制的，即它沒有輸入電流和低輸入損耗

●柵極驅動電路簡單、便宜

●可以很容易地通過施加正電壓開關開，并通過施加零或輕微負電壓開關關

●具有非常低的導通狀態(tài)電阻

●具有高電流密度，使其具有更小的芯片尺寸

●具有比BJT和MOSFET更高的功率增益

●具有比BJT更高的開關速度

2Disadvantages

缺點

●具有比MOSFET更低的開關速度

●是單向的，不能反向傳導

●不能阻擋更高的反向電壓

●比BJT和MOSFET貴

●由于PNPN結構類似晶閘管，存在鎖存問題

#8IGBT的應用

Applications of IGBT

IGBT在交流和直流電路中有許多應用。以下是IGBT的一些重要應用。

●用于SMPS(開關模式電源)中，為敏感的醫(yī)療設備和計算機供電

●適用于UPS(不間斷電源)系統

●用于交流和直流電機驅動器提供速度控制

●用于斬波器和逆變器

●用于太陽能逆變器