01

     當(dāng)IGBT處于正向偏置并阻斷時(shí)，增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓大于MOS結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟電壓時(shí)，MOS結(jié)構(gòu)中至柵極下面的P區(qū)表面強(qiáng)反型層形成導(dǎo)電溝道時(shí)，IGBT即進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。此時(shí)電子可由發(fā)射極連接的N⁺區(qū)經(jīng)溝道進(jìn)入N區(qū)，相當(dāng)于為PNP晶體管基極提供了電子流。同時(shí)，由于J₁結(jié)處于正偏狀態(tài)，P⁺區(qū)將向N區(qū)注入空穴，一部分與電子復(fù)合，一部分經(jīng)過(guò)J₂結(jié)電場(chǎng)作用進(jìn)入IGBT的發(fā)射極（準(zhǔn)確地說(shuō)是PNP晶體管的集電極）。此時(shí)整個(gè)IGBT中有電流流通，IGBT導(dǎo)通。在N區(qū)內(nèi)，電子和空穴積累，形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

02

     IGBT通態(tài)時(shí)流經(jīng)的電流能力同時(shí)受到柵極電壓和集電極-發(fā)射極正偏壓影響，而物理機(jī)制則是受到單極型和雙極型導(dǎo)電特性的影響。當(dāng)IGBT的集電極-發(fā)射極正偏壓升高時(shí)，集電極的正偏置的PN結(jié)注入空穴的密度也相應(yīng)升高，直到超過(guò)N區(qū)中平衡時(shí)的多子濃度為止。按照這種工作方式，只要柵壓足夠高，能使向N區(qū)提供電子的導(dǎo)電溝道開(kāi)得足夠?qū)挘瑒tIGBT的通態(tài)電壓-電流特性就與PIN二極管的通態(tài)特性沒(méi)有多少差別。即便是額定阻斷電壓值很高的器件，其電流容量也能達(dá)到很高的水平，雙極型器件的特性表現(xiàn)得就多。但是在柵壓較低的情況下，由于反型層導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力不夠，電阻較大，外加電壓將主要降落在這個(gè)區(qū)域中，則IGBT的電壓-電流將如一般MOSFET那樣顯現(xiàn)飽和特征。表現(xiàn)為單極型導(dǎo)電行為也就多一些。這兩種作用相互作用，就形成圖2所示的輸出特性。

圖2  IGBT的輸出特性

     圖2給出了單極型MOS結(jié)構(gòu)特性占主導(dǎo)的飽和區(qū)，以及晶體管特性占主導(dǎo)的有源區(qū)。IGBT中的電流進(jìn)入飽和的特性不是純粹的MOSFET中那樣的電子流飽和特性（否則就只是MOSFET了），當(dāng)電流增加和集電極-發(fā)射極間電壓增加到一定程度時(shí)，晶體管部分承擔(dān)了IGBT電流中的主要部分，使MOSFET部分電流不再繼續(xù)進(jìn)入飽和狀態(tài)，所以IGBT中的電流飽和也稱為次飽和。

03

     對(duì)于已經(jīng)處于正向偏置并導(dǎo)通狀態(tài)的IGBT，如果想令其轉(zhuǎn)入關(guān)斷狀態(tài)，只需讓柵壓U_GS<U_T就行了，一種簡(jiǎn)單的方式是通過(guò)柵極與發(fā)射極短路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)U_GS降至零時(shí)，MOS柵結(jié)構(gòu)中的P區(qū)表面不再能維持反型狀態(tài)，導(dǎo)電溝道消失，切斷了發(fā)射極對(duì)N基區(qū)的電子供給，關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始。由于IGBT導(dǎo)通時(shí)有P⁺區(qū)向N區(qū)注入少子空穴，這些少子在向J₂結(jié)方同擴(kuò)散的同時(shí)，在N區(qū)存儲(chǔ)起一定容量的載流子，像任何一種雙極型器件的正向?qū)ㄟ^(guò)程那樣，因而其關(guān)斷過(guò)程也不能立即結(jié)束。這些少子需要一定的時(shí)間來(lái)通過(guò)復(fù)合和掃出而消失，也即集電極電流需要一定的時(shí)間逐漸衰減。

04

     上述分析IGBT通態(tài)和關(guān)斷都是在寄生晶閘管不發(fā)生作用的情況下的結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的寄生晶閘管發(fā)生擎住作用，可分為兩種：

05

     當(dāng)IGBT處于正向偏置時(shí)，即IGBT集電極接正電位，發(fā)射極接負(fù)電位。而柵極-發(fā)射極電壓小于MOS結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟電壓時(shí)，集電極的PN結(jié)正偏置，對(duì)阻斷沒(méi)有貢獻(xiàn)，所以IGBT的正向阻斷原理與VDMOSFET相似。由于MOS柵結(jié)構(gòu)中沒(méi)有溝道形成，無(wú)法為PNP晶體管的基極提供電流。整個(gè)IGBT可以看成是沒(méi)有基極電流的PNP晶體管，處于阻斷狀態(tài)。如果考慮寄生晶閘管的作用，也可以看成是沒(méi)有門(mén)極觸發(fā)的晶閘管，此時(shí)需要避免其他條件來(lái)觸發(fā)晶閘管。IGBT的正向阻斷電壓能力，主要是由J₂結(jié)的雪崩擊穿電壓來(lái)決定的，IGBT正向偏置的情況如圖3所示。這時(shí)只有非常小的漏電流，當(dāng)正向電壓超過(guò)閾值電壓就會(huì)發(fā)生擊穿。

圖5   逆導(dǎo)型和逆阻型IGBT圖形符號(hào)

文章來(lái)源：三菱電機(jī)半導(dǎo)體