IGBT其实本质上是一个场效应晶体管,从结构上看和Power MOSFET非常接近,就在背面的漏电极增加了一个P+层,我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET,它依然是单一载流子(多子)导电,所以我们还没有发挥出它的极致性能。所以后来发展出一个新的结 构,我们如何能够在Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗?所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection layer (这就是名字的由来),而从结构上漏端就多了一个P+/N-drift的PN结,不过他是正偏的,所以它不影响导通反而增加了空穴注入效应,所以它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电。所以原来的source就变成了Emitter,而Drain就变成了Collector了。

igbt的结构和原理图

从上面结构以及右边的等效电路图看出,它有两个等效的BJT背靠背链接起来的,它其实就是PNPN的Thyristor(晶闸管),这个东西不是我们刻意做的,而是结构生成的。这样的结构最要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs,只要满足α1+α2

另外,这样的结构好处是提高了电流驱动能力,但坏处是当器件关断时,沟道很快关断没有了多子电流,可是Collector (Drain)端这边还继续有少子空穴注入,所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current),影响了器件的关断时间及工作频率。这个可是开关器件的大忌啊,所以又引入了一个结构在P+与N-drift之间加入N+buffer层,这一层的作用就是让器件在关断的时候,从Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer层就被复合掉提高关断频率,我们称这种结构为PT-IGBT (Punch Through型),而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBT。

igbt的结构和原理图

一般情况下,NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高,主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少),而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入较多而导致的三极管基区调制效应明显),而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss),所以如果需要同样的Vce(sat),则NPT必须要增加drift厚度,所以Ron就增大了。

igbt的结构和原理图