什么是绝缘栅极双极性晶体管
什么是绝缘栅极双极性晶体管
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iec/tc(co)1339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。
下图为一个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(subchannelregion).而在漏区另一侧的p+区称为漏注入区(draininjector),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)。
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。
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,加反向栅极电压消除沟道,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(insulatedgatebipolartransistor:绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率mosfet的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。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、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的工作特性包括静态和动态两类：
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。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为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（2－14）
式中uj1——ji结的正向电压，其值为0.7～iv；
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，如图所示。
igbt在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为mosfet关断后，pnp晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。
1979年，mos栅功率开关器件作为igbt概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（p-n-p-n四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了v形槽栅。
80年代初期，用于功率mosfet制造技术的dmos（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到igbt中来。[2]在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的npt（非穿通）型设计。后来，通过采用pt（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。几年当中，这种在采用pt设计的外延片上制备的dmos平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。
90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的igbt，它是采用从大规模集成（lsi）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（pt）型芯片结构。[4]在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。
硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（npt）结构，继而变化成弱穿通（lpt）结构，这就使安全工作区（soa）得到同表面栅结构演变类似的改善。
这次从穿通（pt）型技术先进到非穿通（npt）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（pt）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（npt）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（npt）技术又被软穿通（lpt）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（spt）或“电场截止”（fs）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。
1996年，cstbt（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代igbt模块得以实现[6]，它采用了弱穿通（lpt）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的igbt器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。
igbt功率模块采用ic驱动，各种驱动保护电路，高性能igbt芯片，新型封装技术，从复合功率模块pim发展到智能功率模块ipm、电力电子积木pebb、电力模块ipem。pim向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800a/1800—3300v，ipm除用于变频调速外，600a/2000v的ipm已用于电力机车vvvf逆变器。平面低电感封装技术是大电流igbt模块为有源器件的pebb，用于舰艇上的导弹发射装置。ipem采用共烧瓷片多芯片模块技术组装pebb，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代ipem，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为igbt发展热点。
现在,大电流高电压的igbt已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的igbt专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。
根据前面描述的igbt的工作原理，可以得到如图所示的igbt输出特性。
（a）igbt的输出特性（n沟道增强型）
（b）转移特性ic=f(vce)
igbt的输出特性与转移特性
区块链可以为中小型企业做点什么
ETHERNET/IP从站转CANOPEN主站连接AB系统的配置方法
基于区块链底层技术而研究开发的ORA游戏项目介绍
交流电动机仿真训练及实际设计电路图解析
隆云通水质浊度传感器介绍
什么是绝缘栅极双极性晶体管
颗粒物检测器—PM2.5灰尘传感器原理及用途介绍
单片机步入嵌入式Linux之触摸屏与tslib
以图搜图背后的技术，你了解吗？
曝华为正自研CMOS图像传感器,美芯片巨头游说放松对华限制
六大专场论坛顺利举行 把脉半导体发展趋势 | 聚焦ICS2023峰会
探究霍尔传感器和电流纹波技术在电动车窗防夹中的应用
荣耀V9、小米6、三星S8、华为P10怎么样？华为荣耀V9、小米6、三星S8、华为P10颜值爆表+配置强悍买谁？
中国军工测试连接器国产化，突破“卡脖子”难题
算力+算法+数据三轮驱动 AI发展与生态落地如何破局？
一种用于48V电气系统的电子保险丝参考设计方案
用TL16C752B实现DSP和PC机的串行通信
如何为笔记本电脑制作高效的通风冷却系统
嵌入式C编码的原则
该如何选择合适的行星减速机
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iec/tc(co)1339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。
下图为一个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(subchannelregion).而在漏区另一侧的p+区称为漏注入区(draininjector),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)。
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。
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,加反向栅极电压消除沟道,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(insulatedgatebipolartransistor:绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率mosfet的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。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、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的工作特性包括静态和动态两类：
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。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为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（2－14）
式中uj1——ji结的正向电压，其值为0.7～iv；
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，如图所示。
igbt在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为mosfet关断后，pnp晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。
1979年，mos栅功率开关器件作为igbt概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（p-n-p-n四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了v形槽栅。
80年代初期，用于功率mosfet制造技术的dmos（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到igbt中来。[2]在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的npt（非穿通）型设计。后来，通过采用pt（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。几年当中，这种在采用pt设计的外延片上制备的dmos平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。
90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的igbt，它是采用从大规模集成（lsi）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（pt）型芯片结构。[4]在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。
硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（npt）结构，继而变化成弱穿通（lpt）结构，这就使安全工作区（soa）得到同表面栅结构演变类似的改善。
这次从穿通（pt）型技术先进到非穿通（npt）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（pt）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（npt）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（npt）技术又被软穿通（lpt）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（spt）或“电场截止”（fs）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。
1996年，cstbt（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代igbt模块得以实现[6]，它采用了弱穿通（lpt）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的igbt器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。
igbt功率模块采用ic驱动，各种驱动保护电路，高性能igbt芯片，新型封装技术，从复合功率模块pim发展到智能功率模块ipm、电力电子积木pebb、电力模块ipem。pim向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800a/1800—3300v，ipm除用于变频调速外，600a/2000v的ipm已用于电力机车vvvf逆变器。平面低电感封装技术是大电流igbt模块为有源器件的pebb，用于舰艇上的导弹发射装置。ipem采用共烧瓷片多芯片模块技术组装pebb，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代ipem，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为igbt发展热点。
现在,大电流高电压的igbt已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的igbt专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。
根据前面描述的igbt的工作原理，可以得到如图所示的igbt输出特性。
（a）igbt的输出特性（n沟道增强型）
（b）转移特性ic=f(vce)
igbt的输出特性与转移特性
区块链可以为中小型企业做点什么
ETHERNET/IP从站转CANOPEN主站连接AB系统的配置方法
基于区块链底层技术而研究开发的ORA游戏项目介绍
交流电动机仿真训练及实际设计电路图解析
隆云通水质浊度传感器介绍
什么是绝缘栅极双极性晶体管
颗粒物检测器—PM2.5灰尘传感器原理及用途介绍
单片机步入嵌入式Linux之触摸屏与tslib
以图搜图背后的技术，你了解吗？
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六大专场论坛顺利举行 把脉半导体发展趋势 | 聚焦ICS2023峰会
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荣耀V9、小米6、三星S8、华为P10怎么样？华为荣耀V9、小米6、三星S8、华为P10颜值爆表+配置强悍买谁？
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