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  • 絕緣柵雙極型晶體管的原理和結構解析
    • 發布時間:2024-09-23 21:17:24
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    絕緣柵雙極型晶體管的原理和結構解析
    絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場效應晶體管(Power MOSFET)的優點,具有良好的特性,應用領域很廣泛;IGBT也是三端器件:柵極,集電極和發射極。本文將介紹其的工作原理以及結構。
    1.器件介紹
    IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結構雙極器件,屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。多使用在工業用電機、民用小容量電機、變換器(逆變器)、照相機的頻閃觀測器、感應加熱(InductionHeating)電飯鍋等領域。根據封裝的不同,IGBT大致分為兩種類型,一種是模壓樹脂密封的三端單體封裝型,從TO-3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD (FleeWheelDiode)成對地(2或6組)封裝起來的模塊型,主要應用在工業上。模塊的類型根據用途的不同,分為多種形狀及封裝方式,都已形成系列化。
    絕緣柵雙極型晶體管
    絕緣柵雙極晶體管
    2.工作原理
    N溝型的 IGBT工作是通過柵極-發射極間加閥值電壓VTH以上的(正)電壓,在柵極電極正下方的p層上形成反型層(溝道),開始從發射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數載流子,從集電極襯底p+層開始流入空穴,進行電導率調制(雙極工作),所以可以降低集電極-發射極間飽和電壓。在發射極電極側形成n+pn-寄生晶體管。若n+pn-寄生晶體管工作,又變成p+n- pn+晶閘管。電流繼續流動,直到輸出側停止供給電流。通過輸出信號已不能進行控制。一般將這種狀態稱為閉鎖狀態。
    為了抑制n+pn-寄生晶體管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體管的電流放大系數α作為解決閉鎖的措施。具體地來說,p+n-p的電流放大系數α設計為0.5以下。 IGBT的閉鎖電流IL為額定電流(直流)的3倍以上。IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同,通斷由柵射極電壓uGE決定。
    3.結構
    圖1(a)所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構, N+ 區稱為源區,附于其上的電極稱為源極。N+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區,附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區(包括P+ 和P 一區)(溝道在該區域形成),稱為亞溝道區( Subchannel region )。而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區( Drain injector ),它是IGBT 特有的功能區,與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管,起發射極的作用,向漏極注入空穴,進行導電調制,以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。
    IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP 晶體管提供基極電流,使IGBT 導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,流過反向基極電流,使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后,從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子),對N 一層進行電導調制,減小N 一層的電阻,使IGBT 在高電壓時,也具有低的通態電壓。
    絕緣柵雙極型晶體管
    絕緣柵雙極型晶體管
    圖1 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號
    本文總結了絕緣柵雙極型晶體管的原理與結構。IGBT適用于較大的阻斷電壓。在為了提高擊穿電壓而讓漂移區的電阻率和厚度增加時,MOSFET的通態電阻將會顯著增大。正因為如此,火電流、高阻斷電壓的功率MOSFET通常是很難發展的。相反,對于IGBT來說,其漂移區的電阻由于高濃度的少數載流子的注入而急劇下降,這樣IGBT的漂移區的正向壓降變得和IGBT本身的厚度相關,但和原有的電阻率無關。
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