igbt工作原理和作用

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　　IGBT是絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。兼有金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導通壓降兩方面的優點，GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大。

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　　MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

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　　IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

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　　IGBT選型四個基本要求

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　　1、安全工作區

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　　在安全上面，主要指的就是電的特性，除了常規的變壓電流以外，還有RBSOA（反向偏置安全工作區）和短路時候的保護。這個是開通和關斷時候的波形，這個是相關的開通和關斷時候的定義。我們做設計時結溫的要求，比如長期工作必須保證溫度在安全結溫之內，做到這個保證的前提是需要把這個模塊相關的應用參數提供出來。這樣結合這個參數以后，結合選擇的IGBT的芯片，還有封裝和電流，來計算產品的功耗和結溫，是否滿足安全結溫的需求。

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　　2、熱限制

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　　熱限制就是我們脈沖功，時間比較短，它可能不是一個長期的工作點，可能突然增加，這個時候就涉及到另外一個指標，動態熱阻，我們叫做熱阻抗。這個波動量會直接影響到IGBT的可靠性，就是壽命問題。你可以看到50赫茲波動量非常小，這個壽命才長。

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　　3、封裝要求

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　　封裝要求主要體現在外部封裝材料上面，在結構上面，其實也會和封裝相關，因為設計的時候會布局和結構的問題，不同的設計它的差異性很大。

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　　4、可靠性要求

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　　可靠性問題，剛才說到結溫波動，其中最擔心就是結溫波動以后，會影響到這個綁定線和硅片之間的焊接，時間久了，這兩種材料本身之間的熱抗系數都有差異，所以在結溫波動情況下，長時間下來，如果工藝不好的話，就會出現裂痕甚至斷裂，這樣就會影響保護壓降，進一步導致ICBT失效。第二個就是熱循環，主要體現在硅片和DCB這個材料之間，他們之間的差異性。如果失效了以后，就分層了，材料與材料之間特性不一樣，就變成這樣情況的東西，這個失效很明顯。

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　　IGBT的工作原理

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　　1.開機

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　　IGBT硅片的結構與功率MOSFET非常相似。主要區別在于IGBT增加了P+襯底和N+緩沖層。其中一個 MOSFET 驅動兩個雙極器件。襯底的應用在管體的 P+ 和 N+ 區域之間創建了 J1 結。當正柵極偏壓使柵極下方的P基區反轉時，形成N溝道。同時出現電子電流，電流的產生方式與功率MOSFET完全相同。如果該電子流產生的電壓在 0.7V 范圍內，J1 將正向偏置。一些空穴被注入到 N 區并調整陰極和陽極之間的電阻率。以這種方式，減少了功率傳導的總損耗，并開始了第二次充電流。最終結果是在半導體層次結構中暫時出現了兩種不同的電流拓撲：電子流（MOSFET 電流）；空穴電流（雙極）。

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　　2.關機

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　　當對柵極施加負偏壓或柵極電壓低于閾值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N區。在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開關階段迅速下降，則集電極電流會逐漸下降。這是因為，換相開始后，N層中仍有少量載流子（次載流子）。此剩余電流值（喚醒電流）的減少完全取決于關閉時的電荷密度。密度與幾個因素有關，例如摻雜劑的數量和拓撲結構、層厚和溫度。少數載流子的衰減導致集電極電流具有特征性的尾流波形。集電極電流會導致以下問題： 1. 功耗增加；2.二極管。

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　　由于尾流與少數載流子的復合有關，因此尾流的電流值應與芯片的溫度和與IC和VCE密切相關的空穴遷移率密切相關。因此，根據所達到的溫度，減少電流對終端設備設計的這種不良影響是可行的。

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　　3.阻塞和鎖定

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　　當在集電極上施加反向電壓時，J1 將受到反向偏壓的控制，耗盡層將擴展到 N 區。如果該層的厚度減少太多，將無法獲得有效的阻擋能力。因此，這種機制非常重要。另一方面，如果你將這個區域的大小增加太多，它會不斷增加壓降。第二點清楚地解釋了為什么 NPT 器件的電壓降高于等效（IC 和速度相同）的 PT 器件。

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　　當柵極和發射極短接并在集電極端施加正電壓時，P/N J3結由反向電壓控制。此時，N漂移區的耗盡層仍承受外加電壓。

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　　一般情況下，靜態鎖存器和動態鎖存器的主要區別如下：

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　　當晶閘管都打開，靜態鎖存發生。動態閉鎖僅在晶閘管關斷時發生。這種特殊現象嚴重限制了安全操作區域。為了防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，需要采取以下措施：防止NPN部分導通，分別改變布局和摻雜水平，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，鎖存電流對 PNP 和 NPN 器件的電流增益有一定的影響。因此，它與結溫有非常密切的關系；當結溫和增益增加時，P基區的電阻率會增加，破壞整體特性。所以，

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　　五、IGBT的歷史

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　　1979年，MOS柵極功率開關器件作為IGBT概念的先驅被引入世界。該器件外觀為類晶閘管結構（PNPN四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成V型槽柵。

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　　1980年代初，IGBT采用了用于功率MOSFET制造技術的DMOS（Double Diffusion Formed Metal-Oxide-Semiconductor）工藝。當時的硅片結構是較厚的NPT（non-punch through）型設計。后來通過使用PT（punch-through）結構方法，在參數權衡上獲得了顯著的提升。這是由于硅晶片外延技術的進步以及為給定阻斷電壓設計的 n+ 緩沖層的使用。在過去的幾年里，這種在PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵極結構的設計規則已經從5微米進步到3微米。

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　　1990年代中期，溝槽柵結構回歸到IGBT的新概念，它是借用大規模集成（LSI）工藝的硅干法刻蝕技術實現的一種新刻蝕工藝，但仍然是punch-through（ PT) 型芯片結構。在這種溝槽結構中，實現了通態電壓和關斷時間之間權衡的更重要的改進。

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　　穿通（PT）技術具有較高的載流子注入系數，由于需要控制少數載流子的壽命，因此其傳輸效率變差。另一方面，非穿通（NPT）技術是基于不扼殺少數載流子壽命，具有良好的傳輸效率，但其載流子注入系數相對較低。此外，非穿通（NPT）技術已被軟穿通（LPT）技術所取代，類似于一些人所說的“軟穿通”（SPT）或“電場截止” (FS)型技術，這使得“性價比”的整體效果得到了進一步的提升。

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　　1996年，CSTBT（載流子存儲溝槽柵雙極晶體管）實現了第五代IGBT模塊，該模塊采用弱穿通（LPT）芯片結構，采用更先進的寬單元間距設計。目前，IGBT器件的“反向阻斷型”功能或“反向傳導型”功能等新概念正在研究中，以進一步優化。

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