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深度剖析:IGBT的结构与工作原理

发布时间:2022-03-10作者来源:萨科微浏览:3233

IGBIGBT的结构


  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-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。  
     



IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通。反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT关断。  
  IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N一层的空穴(少子),对N一层进行电导调制,减小N一层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。    
         


IGBT的工作特性


           

1.静态特性


               
   IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。    
 
  • IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs越高, Id越大。它与GTR的输出特性相似.也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT,正向电压由J2结承担,反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT的某些应用范围。


 
  • IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时,IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内,Id与Ugs呈线性关系。[敏感词]栅源电压受[敏感词]漏极电流限制, 其[敏感词]值一般取为15V左右。


 
  • IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时,由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管,所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为 IGBT总电流的主要部分。


  此时,通态电压 Uds(on)可用下式表示:  


Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh  
  式中 Uj1 —— JI结的正向电压,其值为 0.7 ~1V ;   Udr —— 扩展电阻Rdr上的压降;   Roh —— 沟道电阻。  
  通态电流Ids可用下式表示:  


Ids=(1+Bpnp)Imos  
  式中 Imos —— 流过MOSFET的电流。  
  由于N+区存在电导调制效应,所以IGBT的通态压降小,耐压1000V的IGBT通态压降为2~3V 。IGBT处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。  
       

2.动态特性


               
   IGBT在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET来运行的,只是在漏源电压Uds下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间,tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)、tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。  
  IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。    
  因为IGBT栅极—发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。  
  IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。    
  正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现,其电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求,特别是在高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。  
  国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率 IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域。与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术, 主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。  
       


IGBT的工作原理


  N沟型的IGBT工作是通过栅极 — 发射极间加阀值电压VTH以上的(正)电压,在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子,从集电极衬底p+层开始流入空穴,进行电导率调制(双极工作),所以可以降低集电极 — 发射极间饱和电压。  
  在发射极电极侧形成n+pn — 寄生晶体管。若n+pn — 寄生晶体管工作,又变成 p+n — pn+晶闸管。电流继续流动,直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。    
  为了抑制n+pn — 寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说,p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。IGBT的闭锁电流IL为额定电流(直流)的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,通断由栅射极电压uGE决定。  
       

1.导通


               
   IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分),其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。  
  如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。  
  最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流)、空穴电流(双极)。uGE大于开启电压 UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。    
       

2.导通压降


               
  电导调制效应使电阻 RN 减小,使通态压降小。  
       

3.关断


               
   当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少子)。    
  这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。  
  鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的,尾流特性与VCE、IC和TC有关。  
  栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。  
       

4.反向阻断


               
  当集电极被施加一个反向电压时,J1就会受到反向偏压控制,耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,所以这个机制十分重要。  另一方面,如果过大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。  
       

5.正向阻断


               
  当栅极和发射极短接并在集电[敏感词]子施加一个正电压时,P/NJ3结受反向电压控制。此时,仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。  
       

6.闩锁


               
  IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管,在特殊条件下,这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加,对等效MOSFET的控制能力降低, 通常还会引起器件击穿问题。  
  晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁,具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器件的状态有密切关系。通常情况下,静态和动态闩锁有如下主要区别:当晶闸管全部导通时,静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。    
  为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象,有必要采取以下措施:    
 
  • 一是防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别。

  • 二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。


 

此外,闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响,因此,它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的情况下,P基区的电阻率会升高,破坏了整体特性。因此,器件制造商必须注意将集电极[敏感词]电流值与闩锁电流之间保持一定的比例,通常比例为1:5。





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