【保姆级科普】IGBT的前世今生

    IGBT被誉为功率器件的“皇冠”。要想学习IGBT的基本原理，绕不开的就是BJT和MOSFET，所以我们要先对这两个器件有所认识

BJT，双极性结型晶体管（bipolar junction transistor），也就是我们常说的三极管。

半导体是介于导体和绝缘体之间的一种介质，在不同的条件下可以表现出导电或者不导电的特性。电子半导体器件所用的材料多为硅、锗等四价元素。所以硅元素不容易得失电子，要掺杂三价元素（如硼）和五价元素（如磷）来形成空穴或电子，从而就有了P、N型半导体。

在BJT的设计中，通常会在发射区E进行N型高掺杂，以便从发射区注入基区的电子在基区B形成相当高的电子浓度梯度。基区B很薄，使这些电子只有很少部分与空穴复合形成基极电流。集电区C则进行N型低掺杂，以便基区高浓度电子扩散至集电区形成集电极电流。

工作原理

 

 

 

当发射结(BE)加上正偏电压，发射区的一小部分自由电子与基区的空穴复合形成基极电流。当集电结(CE)反偏，且集电极电压足够大，基区电子几乎都进入集电区，形成集电极电流。此时集电极电压再增加，集电极电流不会增加。

MOSFET，金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)，时至今日，大至功率变换器，小至内存、CPU等各类电子设备核心元件，无一不用到MOSFET。

在NPN型BJT的基础上，如果一个N连着一个P，内部的电子受力动态平衡后会有一个耗尽层，电路不通。

在这个基础上，如果在NPN中的P型区域上方形成一层MOS(Metal Oxide Silicon)结构，俗称金属氧化物半导体。

那么，通过对MOS结构施加VGS的电压，可以使P型区域的表面发生反型层（Inversion Layer），反型层相当于N型掺杂区域，把左右两端的N+区联通起来，打通电路。

现在更为常见的MOS器件可细分为VDMOS以及LDMOS，以VDMOS为例，它是纵向导电器件，同时正面有两个MOSFET结构合并而来，因此命名为垂直双扩散MOSFET器件。

IGBT，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），诞生于20世纪70年代，IGBT是一种复合器件，它既有MOSFET栅电压控制的特点，又有BJT电流能力强等特点。

IGBT的内部结构如上图所示，它的正面为MOSFET结构，背面结构由下而上构成PNP型BJT结构。与VDMOS结构比较相近，主要区别在于把VDMOS背面的N+区域变为了P+区域，正是这么一个变化造成了IGBT与VDMOS器件特性上的大变化。

IGBT工作原理

当在栅极上施加电压VGS直到MOSFET沟道反型开启，同时在集电极施加电压VCE后，BJT部分背面P区链接上方的N-以及MOSFST部分沟道反型区和N+区构成的PN结正向导通形成BJT的基级电流，从而触发PNP型BJT开启工作，整个IGBT开启正常导通工作。可以发现MOSFET工作产生的电流较小仅仅提供给了BJT作为基级电流，再通过BJT的电流放大能力，使IGBT的输出电流远大于MOSFET。

通过这样的结合，实现了电流放大，开关频次增加等多种效果，目前IGBT在新能源汽车，工业控制，智能电网，以及光伏能源中具有广泛的应用，被誉为工业控制的“CPU”。