一、发明背景

IGBT的全称是绝缘栅双极型晶体管，也是晶体管大家族中重要的组成部分。IGBT的发明与应用也是当时市场需求的不断变化催生的产物。上世纪八十年代以前，主要使用功率三极管和门极可关断晶闸管来处理工业中需要处理高电压，大电流的场景，但是三极管的复杂驱动电路和大功耗，以及GTO的复杂关断电路等缺点都迫使人们寻找一种既能像MOS管一样方便控制，又能像三极管一样处理大功率需求的器件。

美国通用电气公司B.Jayant Baliga博士率领的团队发明了公认的第一代商用IGBT，并系统性提出了功率半导体器件的品质因数，为后续评估不同功率器件的性能提供了理论基础，因此他也被誉为“IGBT之父”并获得工程界诺贝尔奖---查尔斯·斯塔克·德雷珀奖。

几乎同时期美国RCA公司的Hans W.Becke和Carl F.Wheatley也独立地发明了一种名为“COMFET”的器件。这个名称直击其核心物理机制——“导通场效应晶体管”。

最终行业统一采用“绝缘栅双极型晶体管”这一名称，准确的描述器件的核心特征。可以说IGBT的真正实现，是多个团队几乎同时期在理论和工艺上取得突破的共同结果。当然第一代IGBT还存在诸多问题，例如闩锁效应等也随着技术工艺的进步得到解决，这不是本文的重点也就不多赘述。

二、工作原理

在三极管的介绍中，我们说可以将IGBT简单理解成为一个由MOS管和三极管构成的“完美混血儿”。

MOS管像是一个反应灵敏但是力气不大的马（开关速度快，但是高压下导通电阻大）；三极管像是一个力气很大但是反应稍慢的驴（能支持大电流导通，但是需要较大且持续的驱动电力，功耗较大）。IGBT则像是一个用MOS管的大脑（电压控制）去指挥三极管的身体（大电流导通）的天生打工圣体的核动力驴“nuclear mule”。

（一）IGBT内部结构

IGBT是一种四层结构的半导体器件，其内部结构包含集电极(Collector)，发射极(Emitter)和栅极(Gate)三个端子，并且这些端子都有金属板覆盖。栅极端子上的金属材料还额外覆盖一层二氧化硅，起到绝缘作用保障其稳定工作。

可以看到下图中IGBT的内部结构，最接近下方集电极的是高浓度掺杂的P型半导体，称之为P+衬底，其主要作用是将大量的载流子（空穴）注入到上面的N型半导体中，所以这一层也叫作注入层（Injection Layer）。

上方是低浓度掺杂的N型半导体，也称之为漂移层（Drift Layer），其厚度对于IGBT的电压阻断能力至关重要。

再往上的区域称之为主体区域，其中包含正常浓度掺杂的P型半导体基板，内部包含高浓度掺杂的N型半导体并采用金属板将其短路相连构成发射极。

同样的不同类型的半导体之间会形成PN结，所以在IGBT内部共有三个PN结，分别用J1,J2,J3表示。

假设下图中施加在栅极上的电源关闭，在发射极和集电极之间施加一个电源，电源正极与集电极相连。此时J1和J3处的PN结在外电场的作用下正向偏置，消耗层逐渐减小直至导通，但是J2则是发生反向偏置，耗尽层增大。由于该反向偏置的原因会阻塞电子的运动，电流就无法直接从集电极穿过内部到达发射极；假设将这个电源反向接通，J1和J3就会反向偏置，J2正向偏置，电流依旧无法直接导通。

所以不管这个电源如何接通电流都是无法导通的，那么此时我们在栅极上施加一个正电压，此时栅极金属板下方的二氧化硅就类似于一个电容器，绝缘层下方会带正电从而吸引电子聚集，形成了一个沟道从而将发射极之间相连，电流也就可以通过该沟道穿过J2区域，电流走向如图中所示。

（二）IGBT压降

当有电流通过时候，正向偏置的PN会有一个导通电压，J1处的压降电压为VJ1约为0.7V。当然在电流通过漂移区时也会有一个电阻，假设流过的电流为Ic，该部分的压降就是Ic*漂移区电阻。当通过沟道区域时，也会有相应的电阻，该部分电阻的大小取决于栅极施加的电压大小，电压越大阻值越小。

所以IGBT的压降由以上上个部分组成，由于漂移区会接收到P+衬底和N+涌入的载流子，所以漂移区电阻会下降很多。

（三）IGBT等效电路

根据IGBT的内部结构可以将其核心部分的等效电路画出，主电流会由集电极穿过J1处的PN结，经过漂移区会有漂移区电阻，再经过沟道处，最终达到发射极，这也是下图中主电流路径。

但是也可以清晰看到，从集电极到发射极还有另外一条路径，该路径上共有两个晶体管Q1,Q2。其中Q1的结构是一个PNP型的三极管，Q2的结构是NPN型三极管。

需要注意的是，主电流路径和辅助电流路径的分配出现失衡时，即辅助电流路径过大时，Q2就有可能打开，这将导致温度大幅度上升从而损坏IGBT，这也是为什么IGBT与MOSFET有所不同，Ic电流会设置上限，该现象也被称为晶闸管的闩锁效应。

为了彻底解决闩锁效应可能带来的潜在危害，将Q2晶体管的发射极N+区和基极P区之间用金属电极（通常是铝）同时连接并短路到一起，再加之Rby的电阻值本身非常小，那么Q2三极管理论上将永远无法开启，所以其的影响就可以可以忽略，电路等效如下：

其基本驱动由栅极电路控制，而不是直接通过PN结的载流子，所以它的本质是一个电压型控制器件。

对于IGBT其实还有很多诸如，静态VI特性，IGBT开关特性，关断时间，导通时间，输入特性等等没有进行介绍，但是该部分还是旨在帮助对一些基础器件的基本认识，后续如果工作学习中涉及还需要专门进行研究学习。

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