为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件？

2023-2-10 15:33:01 1945 IGBT MOSFET 场效应晶体管 PNP晶体管

0 引用:IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极性三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。上次从IGBT的名称入手，搞清楚了IGBT栅极和双极性所包含的背后意义。这次我们从IGBT的定义出发，来看看为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件？它们之间有什么区别和联系？在应用的时候，什么时候能选择IGBT、什么时候选择BJT、什么时候又选择MOSFET管呢？乍看这么多问题好像很头痛，其实很简单，我们一步一步来。 1 为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件？要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之间的关系，就必须对这三者的内部结构和工作原理有大致的了解，下面我将用最简单易懂的语言来为大家逐一讲解。 BJT：双极性晶体管，俗称三极管。内部结构（以PNP型BJT为例）如下图所示。如同上节讲的，双极性即意味着器件内部有空穴和电子两种载流子参与导电，BJT既然叫双极性晶体管，那其内部也必然有空穴和载流子，理解这两种载流子的运动是理解BJT工作原理的关键。由于图中 e（发射极）的P区空穴浓度要大于b（基极）的N区空穴浓度，因此会发生空穴的扩散，即空穴从P区扩散至N区。同理，e（发射极）的P区电子浓度要小于b（基极）的N区电子浓度，所以电子也会发生从N区到P区的扩散运动。这种运动最终会造成在发射结上出现一个从N区指向P区的电场，即内建电场。该电场会阻止P区空穴继续向N区扩散。倘若我们在发射结添加一个正偏电压（p正n负），来减弱内建电场的作用，就能使得空穴能继续向N区扩散。扩散至N区的空穴一部分与N区的多数载流子——电子发生复合，另一部分在集电结反偏（p负n正）的条件下通过漂移抵达集电极，形成集电极电流。值得注意的是，N区本身的电子在被来自P区的空穴复合之后，并不会出现N区电子不够的情况，因为b电极（基极）会提供源源不断的电子以保证上述过程能够持续进行。这部分的理解对后面了解IGBT与BJT的关系有很大帮助。 MOSFET：金属-氧化物-半导体场效应晶体管，简称场效晶体管。内部结构（以N-MOSFET为例）如下图所示。在P型半导体衬底上制作两个N+区，一个称为源区，一个称为漏区。漏、源之间是横向距离沟道区。在沟道区的表面上，有一层由热氧化生成的氧化层作为介质，称为绝缘栅。在源区、漏区和绝缘栅上蒸发一层铝作为引出电极，就是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。上节我们提到过一句，MOSFET管是压控器件，它的导通关断受到栅极电压的控制。我们从图上观察，发现N-MOSFET管的源极S和漏极D之间存在两个背靠背的pn结，当栅极-源极电压VGS不加电压时，不论漏极-源极电压VDS之间加多大或什么极性的电压，总有一个pn结处于反偏状态，漏、源极间没有导电沟道，器件无法导通。但如果VGS正向足够大，此时栅极G和衬底p之间的绝缘层中会产生一个电场，方向从栅极指向衬底，电子在该电场的作用下聚集在栅氧下表面，形成一个N型薄层(一般为几个nm)，连通左右两个N+区，形成导通沟道，如图中黄色区域所示。当VDS＞0V时，N-MOSFET管导通，器件工作。了解完以PNP为例的BJT结构和以N-MOSFET为例的MOSFET结构之后，我们再来看IGBT的结构图↓ 黄色色块表示IGBT导通时形成的沟道。首先看黄色虚线部分，细看之下是不是有一丝熟悉之感？这部分结构和工作原理实质上和上述的N-MOSFET是一样的。当VGE>0V，VCE>0V时，IGBT表面同样会形成沟道，电子从n区出发、流经沟道区、注入n漂移区，n漂移区就类似于N-MOSFET的漏极。蓝色虚线部分同理于BJT结构，流入n漂移区的电子为PNP晶体管的n区持续提供电子，这就保证了PNP晶体管的基极电流。我们给它外加正向偏压VCE，使PNP正向导通，IGBT器件正常工作。这就是定义中为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件的原因。此外，图中我还标了一个红色部分，这部分在定义当中没有被提及的原因在于它实际上是个npnp的寄生晶闸管结构，这种结构对IGBT来说是个不希望存在的结构，因为寄生晶闸管在一定的条件下会发生闩锁，让IGBT失去栅控能力，这样IGBT将无法自行关断，从而导致IGBT的损坏。原作者： Tracey 橘子说IGBT 0
2023-2-10 15:33:01　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件？它们有何区别和联系？ 2145 • BJT/SCR/JFET/MOSFET/IGBT器件分析 8 • 功率半导体器件原理分析：PN、BJT、MOSFET、IGBT 0 • IGBT和BJT、MOSFET之间的联系 8096 • 关于IGBT/MOSFET/BJT的开关工作特性 2 • IGBT和BJT、MOSFET之间的因果故事 1 • BJT，MOSFET和IGBT的智能功率模块解析 3428 • 由MOSFET组成的各种逻辑门介绍 1274 • 功率器件测试仪系统 & 能测 IGBT. Mosfet. Diode. BJT...... 20 • 全面解析BJT、FET、JFET、MOSFET、IGBT晶体管 15607