IGBT 基礎(chǔ)教程：第 2 部分IGBT概述

N 溝道 IGBT 基本上是構(gòu)建在 p 型襯底上的 N 溝道功率 MOSFET，的通用 IGBT 橫截面所示。（PT IGBT 有一個額外的 n+ 層，將在后面說明。）因此，IGBT 的操作與功率 MOSFET 非常相似。從發(fā)射極施加到柵極端子的正電壓導致電子被拉向體區(qū)中的柵極端子。如果柵極-發(fā)射極電壓等于或高于所謂的閾值電壓，則足夠的電子被吸引到柵極以在體區(qū)形成導電通道，從而允許電流從集電極流向發(fā)射極。（準確地說，它允許電子從發(fā)射極流向集電極。）這種電子流會吸引正離子或空穴，從 p 型襯底到朝向發(fā)射極的漂移區(qū)。

第一個電路顯示了一個 N 溝道功率 MOSFET，該 MOSFET 在達林頓配置中驅(qū)動一個寬基極 PNP 雙極晶體管。第二個電路簡單地顯示了一個二極管與 N 溝道功率 MOSFET 的漏極串聯(lián)。乍一看，IGBT 上的導通狀態(tài)電壓似乎比 N 溝道功率 MOSFET 本身高一個二極管壓降。事實上，IGBT 上的導通狀態(tài)電壓始終至少是一個二極管壓降。然而，與具有相同裸片尺寸并在相同溫度和電流下工作的功率 MOSFET 相比，IGBT 的導通狀態(tài)電壓可以顯著降低。這樣做的原因是 MOSFET 只是一種多數(shù)載流子器件。換句話說，在 N 溝道 MOSFET 中只有電子流動。如前所述，N 溝道 IGBT 中的 p 型襯底將空穴注入漂移區(qū)。因此，IGBT 中的電流由電子和空穴組成。這種空穴（少數(shù)載流子）的注入顯著降低了漂移區(qū)對電流的有效阻力。換句話說，空穴注入顯著增加了電導率，或者電導率被調(diào)制。由此產(chǎn)生的導通電壓降低是 IGBT 優(yōu)于功率 MOSFET 的主要優(yōu)勢。

當然，沒有什么是免費的，較低的導通狀態(tài)電壓的代價是較慢的開關(guān)速度，尤其是在關(guān)斷時。這樣做的原因是，在關(guān)斷期間，通過將柵極-發(fā)射極電壓降低到閾值電壓以下，電子流可以相當突然地停止，就像在功率 MOSFET 中一樣。然而，空穴留在漂移區(qū)，除了電壓梯度和重組外，沒有辦法去除它們。IGBT 在關(guān)斷期間表現(xiàn)出尾電流，直到所有空穴都被掃除或重新組合?？梢钥刂茝秃纤俾?，這就是n+ 緩沖層的目的。該緩沖層在關(guān)斷期間快速吸收捕獲的空穴。并非所有 IGBT 都包含 n+ 緩沖層；那些被稱為穿通（PT），那些不被稱為非穿通（NPT）。

如果 IGBT 在數(shù)據(jù)表額定值之外運行良好，則較低導通狀態(tài)電壓的另一個代價是可能發(fā)生閂鎖。閂鎖是一種故障模式，其中 IGBT 不能再被柵極關(guān)閉。任何 IGBT 都可能因誤用而引起閉鎖。因此，IGBT 中的閂鎖失效機制需要一些解釋。

IGBT的基本結(jié)構(gòu)類似于晶閘管，即一系列PNPN結(jié)。這可以通過分析更詳細的 IGBT 等效電路模型來解釋。

所有 N 溝道功率 MOSFET 以及所有 N3 溝道 IGBT 中都存在寄生 NPN 雙極晶體管。該晶體管的基極是體區(qū)，它與發(fā)射極短路以防止其導通。但是請注意，體區(qū)有一些電阻，稱為體區(qū)擴展電阻，如圖 3 所示。P 型襯底和漂移區(qū)和體區(qū)形成 IGBT 的 PNP 部分。PNPN結(jié)構(gòu)形成寄生晶閘管。如果寄生 NPN 晶體管導通并且 NPN 和 PNP 晶體管的增益之和大于 1，就會發(fā)生閂鎖。通過優(yōu)化各個區(qū)域的摻雜水平和幾何形狀，通過設計 IGBT 來避免閂鎖。

PNP 和 NPN 晶體管的增益設置為使它們的總和小于 1。隨著溫度升高，PNP 和 NPN 增益增加，以及體區(qū)擴展電阻。非常高的集電極電流會在體區(qū)產(chǎn)生足夠的電壓降以開啟寄生 NPN 晶體管，并且管芯的過度局部加熱會增加寄生晶體管增益，因此它們的總和超過 1。如果發(fā)生這種情況，寄生晶閘管會閉鎖，IGBT 不能被柵極關(guān)斷，可能會因過流發(fā)熱而損壞。這是靜態(tài)閉鎖。關(guān)斷期間的高 dv/dt 結(jié)合過大的集電極電流也可以有效地增加增益并導通寄生 NPN 晶體管。這是動態(tài)閂鎖，這實際上是限制安全工作區(qū)域的原因，因為它可能在比靜態(tài)閉鎖低得多的集電極電流下發(fā)生，并且取決于關(guān)斷 dv/dt。通過保持在最大電流和安全工作區(qū)域額定值內(nèi)，無論關(guān)斷 dv/dt 如何，都可以避免靜態(tài)和動態(tài)閉鎖。請注意，可以通過外部柵極電阻器（以及電路布局中的雜散電感）設置開啟和關(guān)閉 dv/dt、過沖和振鈴。