IGBT

可等效为栅漏耗尽层重叠电容Cgdj，而Cgdj与舵手串联构成
IGBT擎住效应
IGBT的C与E 之间寄生 了一个晶闸管（具有自 锁能力），为什么不能 通过VG=0而关断？
避免IGBT在导通后被 自锁的设计要点就是要 保证
α1+α2<1
S
—
+
（小）
J3
J2 J1
减小N+发射区 的尺寸和P基区 的薄层电阻，
使J3结电压小 于0.7V
+ D
IGBT的擎住（门插销）效应
弱，调制电阻增加，导致通态压降上升。所以 IGBT的通态压降与关断时间存在一个折衷关系。
（3）高温特性
IGBT具有卓越的高温通态特性。
使IGBT自锁的集电极 电流称之为擎住电流
（4）IGBT的结电容特性
S
G
栅源电容Cgs=厘米+舵手
栅漏电容
Cgd＝Cgdj舵手/( Cgdj+ 舵手)
Rb—厚基区调制电阻 舵手—栅漏重叠氧化电容 厘米—源极金属层电容 舵手—栅源重叠氧化电容 Cgdj—栅漏重叠耗尽电容 Cdsj—漏源重叠耗尽电容 Ccer—集射再分布电容 Cebd—射基扩散电容 Cebj—射基耗尽电容
C
★ 静态擎住
RN
P区体电阻RP引发擎住
G
RP
E
SCR
★ 动态擎住
关断过急→位移电流
CJ
duCE dt
iE
CJ—PN结电容
RG 不能过小，限制关断时间。
★ 过热擎住
RP 及PNP、NPN 电流放大倍数
因温度升高而增大。 （150℃时ICM降至1/2）
3、IGBT分类
沟道
N沟道IGBT P沟道IGBT
双极器件的存储效应 影响了IGBT器件 的 关断速度。因此关断 过程分为两个阶段： 其一，MOS管导通电 流的迅速降低阶段tf1 （陡降阶段），二是 三极管电流缓慢减到 零的阶段，即与基区 过剩载流子复合有关 的缓慢下降阶段tf2 （指数下降阶段，
陡降区
指数下 降区
IGBT的关断时间有钱人定义为电压为零到IC下降 到0.1倍稳态值时所经历的时间。
4、工作特性与参数
❖伏安特性
（1）静态特性
IC
VBR VC E
IGBT的伏安特性与GTR 类似，不同之处是，控 制参数是门源电压VGS， 而不是基极电流，伏安 特性分饱和区（Ⅰ）、 放大区（Ⅱ）和击穿区 （Ⅲ）。如果无N+缓冲 区，正反向阻断电压可 以做到同样水平，但加 入缓冲区，反向阻断电 压只有几十伏。
有钱人=td+tf
tf=tf1+tf2
Tf1与放电电阻RG有关， RG越大，IC的初期衰减 速度也就越慢。可利用RG来调整关断过程中的 di/dt。
tf2可以通过电子辐照等少子寿命控制技术加以控 制，并通过在P+N-之间加N+缓冲层等工艺方法来 降低PNP管的增益。但少子寿命的降低虽然提高 了器件的关断速度，却使N-区的电导调制作用减
双极型器件
GTR结构示意图
优点：由于有少数载流子的注入对漂 移区电导的调制，其通流能力一般都 很高，电流密度约为200~300A/cm2， 因此器件尺寸小，价格低。
缺点：除开关速度低外，开关过程中 的功率消耗太大。
单极型器件
VMOS结构示意图
克服了双极型器件的以上二个缺 点，但由于没有少数载流子的电 导调制作用，以至于通态电阻 Ron较大，通流能力较小。如 600V耐压VMOS最大电流密度仅 为10A/cm2。
这是因为在低电流区域，VBE、hFE起支配作用， 故具有负的温度系数。而在大电流区Repi，Rch 起支配作用，器件便具有正温度系数。
由于MOSFET和PNP管在这里是 达林顿接法，其电流不会像 MOSFET那样从零伏开始上升， 而是存在着PNP晶体管VBE所需 要的偏置电压。一旦电导调制效 应发生后，其动态电阻与 MOSFET相比则非常小。
1、基本结构
IGBT每个器 件单元实际 上就是 MOSFET和 双极晶体管 BJT的组合
集电极 C
铝栅结构IGBT
硅栅结构IGBT
S
α2 α1
D
等效电路
C（D） G
E（S）
图形符号
特点：
具有通态密度 高、正反向阻 断能力强以及 导通和关断双 可控特点，且 功耗小
2、工作原理：
IGBT阻断原理
缓冲区
有，非对称型IGBT（穿通型）
PT-IGBT: 冲压机Throught-IGBT
无，对称型IGBT（非穿通型）
NPT-IGBT:非冲压机Throught-IGBT
IGBT按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P+ 发射区和N-飘移区之间的N+层。无缓冲区者称 为对称型IGBT，有缓冲区者称为非对称型IGBT。 因为结构不同，因而特性也不同。非对称型 IGBT由于存在N+区，反向阻断能力弱，但其正 向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小；与 此相反，对称型IGBT具有正反向阻断能力，其 他特性却不及非对称型IGBT。目前商品化的 IGBT单管或模块大部分是非对称型IGBT。
IGBT的集电极相对于发射 极加负电压时，由于P+N 结（J1）处于反偏状态， 因而不管VDMOS的沟道 体中有没有形成沟道，电 流都不能在C、E间形成。 因此IGBT比VMOS多了一 个J1结，因而获得了反向 电压阻断能力。反向阻断 电压的高低决定于J1结的 雪崩击穿电压。
+
J3 J2 J1
S —D
饱和压降特性
由于IGBT中的电 导调制效应的影响， PT型IGBT的饱和 压降，在小电流区 域具有负温度系数， 在大电流区域具有 正温度系数。但 NPT型IGBT中， 电导调制效应的影 响没有PT型IGBT 强，因此NPT型 IGBT具有正温度 系数，适应于并联 使用。
IC VCE
❖转移特性
由图可知，IGBT电流 密度较大，通态电压 的温度系数在小电流 范围内为负，大电流 范围内为正，其值约 为1.4倍/100℃。
➢IGBT不适合于要求器件压降低于0.7V的场合下使用 ➢击穿电压高的IGBT器件电流容量较低。高耐压器件 的N基区较宽。
（2）动态特性（开关特性钳位）效应：G-E驱动电流≈
二极管正向特
uGE tON
0.9UGEM
UGEM
性
tOFF
UST 0.1UGEM
t
iC
0.9ICM
0.1ICM
uCE
t2
ICM
一.非对称型IGBT的物理描述 ?0 栅极 发射极
SiO2 N
J3 J2
源极 P N
J1
N
P
N SiO2
体 区
飘移区
缓冲区 注入 区
漏极 ★ 电导调制 ★ 反向阻断
集电极
G MOSFET
CD
Rb BJT
E S
双载流子参与导电
同质单晶硅片NPT-IGBT
❖由N-硅通过扩散形成正面 的P区和N+发射区，背面通 过离子注入形成薄且浓度不 高的P区；
刻，到iC上升至10% ICM????? 电流上升时间tr ——iC从10%ICM上升至90%ICM所
需时间
开通时间吨——开通延迟时间与电流上升时间之和
uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中 MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET 和PNP晶体管同时工作的电压下降过程
BiMOS器件
兼双极和单极型器件所长构成的 一种新型器件。这种新型器件设 计与制造技术就是双极—MOS复 合器件技术，简称BiMOS技术。 如IGBT、MCT等。
IGBT IGBT-绝缘栅双极晶体管
——是一种新型电力电子器件，具有输 入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、 安全工作区宽、电流处理能力强的特点， 广泛应用在电机控制、中频开关电源和 逆变器、机器人、空调器以及要求快速、 低损耗的许多领域
S
IGBT的正向阻断电压 则是由J2结的雪崩电压
—
决定。因为VCE为正
时，若栅极对发射极短
J3
路，J2结处于反向偏置
状态而VDMOS未能形 厚基区 J2
成导电沟道。
J1
但若此时对栅极加正向
电压，沟道体表面形成
沟道，IGBT进入正向
+
导通状态。
D
S
IGBT导通原理
+（小
—
电子由N+发射区经反型层进
t1
MOSON GTRON
t3 t4
MOSOFF GTROFF
t
IGBT动态特性
拖尾电流 MOS已 经关断， IGBT存 储电荷释 放缓慢
IGBT的开通过程?
与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间 作为MOSFET运行 开通延迟时间td(在) ——从uGE上升至其幅值10%的时
Cgs=Cm//Coxs =厘米+舵手
可知Cgs可近似为一静态稳定电容。
Βιβλιοθήκη Baidu
栅漏电容Cgd
由于IGBT的物理工艺特性，栅极与漏极之间始终存在一
个稳定的线性电容－栅源重叠氧化电容舵手；在IGBT工作状
态下，随着Vce的增加，在源极（P+区）和栅极（N-区）下
方，会产生一耗尽层( 损耗区域) 如图2-4所示，该耗尽层即
Rb BJT
的 同 样 PNP 管 要 高 。 然
G
而特别应该指出的是： MOSFET
一 个 IGBT 发 射 极 覆 盖
芯片的整个面积，因此
它的注射效率和通态压
S
降比同样尺寸的双极晶
体管要优越得多。
对于已正向导通的 IGBT，如果想令其转 入关断状态，只须让 VG=0即可，可以通过 将栅极与发射极短路来 实现。
当MOSFET的导电沟道充分 开启，IGBT的集电极电流主 要由钉二极管部份决定，其
通态伏安特性为指数函数， 而VMOS和GTR皆为线性关 系。因此，在同样的耐压下， 使用IGBT比使用VMOS和 GTR更容易通过较大电流， 获得更大的功率输出。如对 于600V等级的器件，IGBT能 够承受的最大电流密度一般 是VMOS的20倍，是GTR的5 倍左右。
P+ Ccer
N-
P+
Cm N+
c
Coxs Cdsj
Rb
b Cebd Cbej
e
D
Coxd 耗尽层 C gdj
N+缓冲层
栅源电容Cgs
从图中可以看出，栅极和源极金属层之间有一等效源极金 属层电容厘米；同时存在一栅源重叠氧化电容舵手，而且两 者以并联的方式同时影响着栅源之间的电容特性，由于厘米 与舵手的动态特性相当稳定，所以
散形成P型和N层；
❖穿通击穿电压低 于雪崩击穿电压；
❖通态压降低；
❖工艺复杂、价格 高；
PT-IGBT结构剖面示意图
硅片直接键合制成SDB-IGBT （硅径直的结合-IGBT)
PN结是由P+与N-硅片在高温下通过硅片直 接键合工艺而得到。此N-硅片在键合前先 用离子注入法注入一层薄磷，使其形成N+ 缓冲层。最后再N-层上扩散P型层和N型发 射层，形成PNPN四层器件。
UGE 90%UGEM
UGEM
10%UGE0M IC
90% ICM
td(on)
ICM tr
td(off)
t tf
10% ICM 0
UCE
ton UCEM
tfi1 tfi2
toff
t
tfv1 tfv2
UCE(on)
O
t
关断过程
为了从正向导通状态转 入正向阻断状态， IGBT的栅极通过外电 路与发射极短接，以便 让栅电容放电。当栅电 压下降到MOSFET的开 启电压八度音阶以下时， 沟道消失，MOS管关断， PNP基路。
❖晶格较完整，硅片总厚度 较薄（约100um）但阻断电 压的高阻N-较厚，它的穿通 电压高于雪崩击穿电压；
❖开关速度快（C区即P区浓 度不高；
❖成本低（没有厚衬底高阻 外延工艺）；
❖P+衬底（约
传统外延法制成穿通型IGBT
500um）外延生长
一层N+缓冲层（约
10um），再外延生
长一层N-（ 约
100um ），通过扩
入N基区。降低了N基区的电
位。加速P+区向N-注入空穴
J3
进程。直到超过N基区中的 多数载流子。
J2
只要栅压足够高，IGBT的通
J1
态伏安特性就与二极管的通
态特性一样，即使阻断电压
额定值较高的器件，其电流
容量也能达到很高值。
+
D
作为一个虚拟达林
D
顿 电 路 末 级 ， PNP 管 从
不进入深饱和区，它的 电压降比处于深饱和区
1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模块
IGBT模块内部结构
Powerex CM300DY-24H
4x IGBT
4x二极管
4.1 IGBT的结构和工作原理
IGBT是在VMOS的基础上发展起来的， 两者结构十分类似，不同之处是IGBT 多了一层P+层发射极，从而多了一个 大面积的P+N结（J1）。 IGBT也有N沟道和P沟道之分。
从器件结构来看，IGBT器件 的总电流既含有来自沟道的 MOS分量，又含有以PN结注 入的双极分量，即
IIGBT=IMOS+IBJT
当沟道消失，MOS分量的电子 电流IMOS迅速减为零，而由 于正向导通时，存在N-基区中 的少子浓度较大，故IBJT不能 很快为零，必须经过类似双极 器件关断的复合过程。复合的 快慢主要取决于载流子的寿命。