IGBT结构

1.IGBT

的基本结构

绝缘栅双极晶体管（

IGBT

）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个

 P 

型层。

根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。

图

1

所示为一个

N 

沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，

N+

区称为源区，附于其上的电极称为源极。

N+ 

区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、

源之间的

P

型区

（包括

P+

和

P

一区）

（沟道在该区域形成）

，

称为亚沟道区

（

Subchannel      region 

）

。

而在漏区另一侧的

 P+ 

区称为漏注入区（

Drain injector 

），它是

 IGBT 

特有的功能区，与漏区和亚

沟道区一起形成

 PNP 

双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的

通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

为了兼顾长期以来人们的习惯，

IEC

规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发射极端（子），

漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。

IGBT

的结构剖面图如图

2

所示。它在结构上类似于

MOSFET 

，其不同点在于

IGBT

是在

N

沟道功率

MOSFET 

的

N+

基板

（漏极）

上增加了一个

P+ 

基板

（

IGBT 

的集电极）

，

形成

PN

结

j1 

，

并由此引出漏极、

栅极和源极则完全与

MOSFET

相似。

内部结构断面示意图

简化等效电路

电气图型符号

图

1      N

沟道

IGBT

结构

图

2      IGBT

的结构剖面图

由图

2

可以看出，

IGBT

相当于一个由

MOSFET

驱动的厚基区

GTR 

，其简化等效电路如图

3

所示。图

中

Rdr

是厚基区

GTR

的扩展电阻。

IGBT

是以

GTR 

为主导件、

MOSFET 

为驱动件的复合结构。

N

沟道

IGBT

的图形符号有两种，如图

4

所示。实际应用时，常使用图

2

－

5

所示的符号。对于

P

沟

道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图

4

所示。

IGBT 

的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，

MOSFET 

内形成沟道，并为

PNP

晶

体管提供基极电流，

从而使

IGBT

导通，

此时，

从

P+

区注到

N

一区进行电导调制，

减少

N

一区的电阻

 Rdr

值，使高耐压的

 IGBT 

也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，

MOSFET 

内的沟道消失，

PNP

晶体管

的基极电流被切断，

IGBT 

即关断。

正是由于

 IGBT 

是在

N 

沟道

 MOSFET 

的

 N+ 

基板上加一层

 P+ 

基板，

形成了四层结构，

由

PNP

－

NPN

晶体管构成

 IGBT 

。但是，

NPN

晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使

NPN

不起作用。所以

说，

 IGBT 

的基本工作与

NPN

晶体管无关，可以认为是将

 N 

沟道

 MOSFET 

作为输入极，

PNP

晶体管作为

输出极的单向达林顿管。

采取这样的结构可在

 N

一层作电导率调制，提高电流密度。这是因

为从

 P+ 

基板经过

 N+ 

层向高

电阻的

 N

一层注入少量载流子的结果。

 IGBT 

的设计是通过

 PNP

－

NPN 

晶体管的连接形成晶闸管。

E

G

C

N

+

N

-

a)

P

N

+

N

+

P

N

+

N

+

P

+

发射极

栅极

集电极

注入区

缓冲区

漂移区

J

3

J

2

J

1

G

E

C

+

-

+

-

+

-

I

D

R

N

I

C

V

J1

I

D

R

on

b

)

G

C

c

)