IGBT知識梳理

IGBT 原理

方法

IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。

導通

IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件?；膽迷诠荏w的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流); 空穴電流(雙極)。

關(guān)斷

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高;交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

阻斷與閂鎖

當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的壓降高的原因。

當柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結(jié)受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管，如圖1所示。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：

當晶閘管全部導通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。 只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴重地限制了安全操作區(qū) 。 為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施： 防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。 降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。 此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切;在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。