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法学绝缘栅双极晶体管的工作原理和特性
绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 是一种具有三个端子——栅极 (G)、发射极 (E) 和集电极 (C)——的半导体器件。IGBT 结合了 BJT 和功率 MOSFET 的最佳特性。因此，IGBT 具有与 PMOSFET 相同的高输入阻抗，并且像 BJT 一样具有低的导通状态功耗。
IGBT 也免受 BJT 中存在的二次击穿问题的困扰。
IGBT 也被称为绝缘栅晶体管 (IGT)、金属氧化物绝缘栅晶体管 (MOSIGT)、导电调制场效应晶体管 (COMFET) 或增益调制 FET (GEMFET)。
IGBT 的基本结构和符号
IGBT 由集电极的 p+ 衬底构成。在 IGBT 中，p+ 衬底被称为注入层，因为它将空穴注入 N-层（位于 P+层和 P层之间），该层被称为漂移区。N-层的厚度决定了 IGBT 的电压阻断能力。P-层被称为 IGBT 的体区，体区用于容纳 J2 结的耗尽区。
IGBT 的工作原理
当集电极相对于发射极呈正偏时，IGBT 处于正向偏置状态。当栅极和发射极之间不施加电压时，N-区和 P区之间的 J2 结反向偏置，因此没有电流从集电极流向发射极。
当通过源 VG 将正电压施加到栅极相对于发射极，且栅极-发射极电压大于 IGBT 的阈值电压 (VGET) 时，就会在栅极正下方的 p 区上部感应出一个 n 沟道或反型层。这个 n 沟道将 N--区与 N+-发射极区短路。
电子开始通过 n 沟道从 N+ 区流向 N- 区。由于 IGBT 处于正向偏置状态，因此 P+ 集电极区将空穴注入 N-漂移区，从而使 N-漂移区中的注入载流子密度大量增加，进而使 N-区的电导率显著提高。因此，IGBT 导通并开始导通正向集电极电流 IC。
集电极电流 (IC) 或发射极电流 (IE) 由两个分量组成，一个是由注入空穴引起的空穴电流 (Ih)，另一个是由注入电子引起的电子电流 (Ie)。因此，
集电极或负载电流 𝐼𝐶 = 发射极电流 IC=Ih+Ie
由于集电极电流的主要分量是电子电流 (Ie)。因此，
$$\mathrm{I_{c} \cong I_{E}}$$
IGBT 的导通状态电压降为：
VCE.on = 电压降[n沟道内 + N-区漂移区内 + 正向偏置 P+ N− 结 J1]
IGBT 的输出或静态 I-V 特性
IGBT 的静态 I-V 特性或输出特性是集电极电流 (IC) 和集电极-发射极电压 (VCE) 之间的曲线图，针对不同的栅极-发射极电压绘制。
正向输出特性与 BJT 的相似。电压 VRM 是最大反向击穿电压。
IGBT 的转移特性
IGBT 的转移特性是集电极电流 (IC) 和栅极-发射极电压 (VGE) 之间的曲线图。当 VGE 的值小于阈值电压 (VGET) 时，IGBT 保持关闭状态。
IGBT 的优点
- 较低的栅极驱动器要求
- 较低的开关损耗
- 较小的钳位电路要求
- 体积更小，成本更低
- 效率高
IGBT 的应用
- IGBT 用于直流和交流电机驱动器
- 用于不间断电源系统 (UPS)
- 用于电磁阀、继电器和接触器的电源和驱动器
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