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  • IGBT簡(jiǎn)介,結(jié)構(gòu)與原理解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2024-12-16 18:28:52
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    IGBT簡(jiǎn)介,結(jié)構(gòu)與原理解析
    所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),是由 BJT(雙極結(jié)型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動(dòng)式-功率半導(dǎo)體器件,其具有自關(guān)斷的特征。
    IGBT結(jié)構(gòu) 原理
    簡(jiǎn)單講,是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān),IGBT沒(méi)有放大電壓的功能,導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線,斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點(diǎn),如驅(qū)動(dòng)功率小和飽和壓降低等。
    IGBT結(jié)構(gòu) 原理
    而平時(shí)我們?cè)趯?shí)際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD(續(xù)流二極管芯片)通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品,具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。
    前面介紹了Power MOSFET,而IGBT其實(shí)本質(zhì)上還是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,從結(jié)構(gòu)上看和Power MOSFET非常接近,就在背面的漏電極增加了一個(gè)P+層,我們稱之為Injection Layer (名字的由來(lái)等下說(shuō)).。在上面介紹的Power MOSFET其實(shí)根本上來(lái)講它還是傳統(tǒng)的MOSFET,它依然是單一載流子(多子)導(dǎo)電,所以我們還沒(méi)有發(fā)揮出它的[敏感詞]性能。所以后來(lái)發(fā)展出一個(gè)新的結(jié) 構(gòu),我們?nèi)绾文軌蛟赑ower MOSFET導(dǎo)通的時(shí)候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎?所以自然的就在漏端引入了一個(gè)P+的injection layer (這就是名字的由來(lái)),而從結(jié)構(gòu)上漏端就多了一個(gè)P+/N-drift的PN結(jié),不過(guò)他是正偏的,所以它不影響導(dǎo)通反而增加了空穴注入效應(yīng),所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導(dǎo)電。所以原來(lái)的source就變成了Emitter,而Drain就變成了Collector了。
    從上面結(jié)構(gòu)以及右邊的等效電路圖看出,它有兩個(gè)等效的BJT背靠背鏈接起來(lái)的,它其實(shí)就是PNPN的Thyristor(晶閘管),這個(gè)東西不是我們刻意做的,而是結(jié)構(gòu)生成的。這樣的結(jié)構(gòu)最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關(guān)鍵就在于控制Rs,只要滿足α1+α2<1就可以了。
    另外,這樣的結(jié)構(gòu)好處是提高了電流驅(qū)動(dòng)能力,但壞處是當(dāng)器件關(guān)斷時(shí),溝道很快關(guān)斷沒(méi)有了多子電流,可是Collector (Drain)端這邊還繼續(xù)有少子空穴注入,所以整個(gè)器件的電流需要慢慢才能關(guān)閉(拖尾電流, tailing current),影響了器件的關(guān)斷時(shí)間及工作頻率。這個(gè)可是開(kāi)關(guān)器件的大忌啊,所以又引入了一個(gè)結(jié)構(gòu)在P+與N-drift之間加入N+buffer層,這一層的作用就是讓器件在關(guān)斷的時(shí)候,從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復(fù)合掉提高關(guān)斷頻率,我們稱這種結(jié)構(gòu)為PT-IGBT (Punch Through型),而原來(lái)沒(méi)有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。
    一般情況下,NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高,主要因?yàn)镹PT是正溫度系數(shù)(P+襯底較薄空穴注入較少),而PT是負(fù)溫度系數(shù)(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導(dǎo)致的三極管基區(qū)調(diào)制效應(yīng)明顯),而Vce(sat)決定了開(kāi)關(guān)損耗(switch loss),所以如果需要同樣的Vce(sat),則NPT必須要增加drift厚度,所以Ron就增大了。
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