在IGBT得到大力發展之前，功率場效應管MOSFET被用於需要快速開關的中低壓場合，晶閘管、GTO被用於中高壓領域。MOSFET雖然有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、驅動電路簡單的優點;但是，在200V或更高電壓的場合，MOSFET的導通電阻隨著擊穿電壓的增加會迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能得到高耐壓、大容量元件等缺陷。雙極晶體管具有優異的低正向導通壓降特性，雖然可以得到高耐壓、大容量的元件，但是它要求的驅動電流大，控製電路非常複雜，而且交換速度不夠快。
　　IGBT正是作為順應這種要求而開發的，它是由MOSFET(輸入級)和PNP晶體管(輸出級)複合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的特點(控製和響應)，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(功率級較為耐用)，頻率特性介於MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作於幾十KHz頻率範圍內。基於這些優異的特性，IGBT一直廣泛使用在超過300V電壓的應用中，模塊化的IGBT可以滿足更高的電流傳導要求，其應用領域不斷提高，今後將有更大的發展。
　　IGBT的結構與特性：
　　如圖1所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+區稱為源區，附於其上的電極稱為源極(即發射極E)。N基極稱為漏區。器件的控製區為柵區，附於其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(包括P+和P-區，溝道在該區域形成)，稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調製，以降低器件的通態電壓。附於漏注入區上的電極稱為漏極(即集電極C)。

 

　　圖1 N溝道增強型絕緣柵雙極晶體(ti) 管結構

　　IGBT的開關(guan) 作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為(wei) NPN)晶體(ti) 管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guan) 斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，隻需控製輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成後，從(cong) P+基極注入到N-層的空穴(少子)，對N-層進行電導調製，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。
　　IGBT是由MOSFET和GTR技術結合而成的複合型開關(guan) 器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構成的，性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率晶體(ti) 管的優(you) 點。N+區稱為(wei) 源區，附於(yu) 其上的電極稱為(wei) 源極(即發射極E)；P+區稱為(wei) 漏區，器件的控製區為(wei) 柵區，附於(yu) 其上的電極稱為(wei) 柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩(liang) 極之間的P型區(包括P+和P-區)(溝道在該區域形成)稱為(wei) 亞(ya) 溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側(ce) 的P+區稱為(wei) 漏注入區(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區，與(yu) 漏區和亞(ya) 溝道區一起形成PNP雙極晶體(ti) 管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調製，以降低器件的通態壓降。附於(yu) 漏注入區上的電極稱為(wei) 漏極(即集電極C)。

 
　　圖2 IGBT的結構

　　IGBT是由一個(ge) N溝道的MOSFET和一個(ge) PNP型GTR組成，它實際是以GTR為(wei) 主導元件，以MOSFET為(wei) 驅動元件的複合管。IGBT除了內(nei) 含PNP晶體(ti) 管結構，還有NPN晶體(ti) 管結構，該NPN晶體(ti) 管通過將其基極與(yu) 發射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關(guan) 斷。IGBT的4層PNPN結構，內(nei) 含的PNP與(yu) NPN晶體(ti) 管形成了一個(ge) 可控矽的結構，有可能會(hui) 造成IGBT的擎柱效應。IGBT與(yu) MOSFET不同，內(nei) 部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當的快恢複二極管。
　　IGBT的理想等效電路及實際等效電路如下圖所示：

  
　　圖3 IGBT的理想等效電路及實際等效電路

　　由等效電路可將IGBT作為(wei) 對PNP雙極晶體(ti) 管和功率MOSFET進行達林頓連接後形成的單片型Bi-MOS晶體(ti) 管。
　　因此，在門極-發射極之間外加正電壓使功率MOSFET導通時，PNP晶體(ti) 管的基極-集電極就連接上了低電阻，從(cong) 而使PNP晶體(ti) 管處於(yu) 導通狀態，由於(yu) 通過在漏極上追加p+層，在導通狀態下，從(cong) p+層向n基極注入空穴，從(cong) 而引發傳(chuan) 導性能的轉變。因此，它與(yu) 功率MOSFET相比，可以得到極低的通態電阻。
　　此後，使門極-發射極之間的電壓為(wei) 0V時，首先功率MOSFET處於(yu) 斷路狀態，PNP晶體(ti) 管的基極電流被切斷，從(cong) 而處於(yu) 斷路狀態。
　　如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號可以控製開通和關(guan) 斷動作。
　　IGBT的工作特性：
　　1.靜態特性
　　IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關(guan) 特性。
　　IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為(wei) 參變量時，漏極電流與(yu) 柵極電壓之間的關(guan) 係曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控製，Ugs 越高， Id 越大。它與(yu) GTR 的輸出特性相似，也可分為(wei) 飽和區1 、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩衝(chong) 區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩衝(chong) 區後，反向關(guan) 斷電壓隻能達到幾十伏水平，因此，限製了IGBT 的某些應用範圍。
　　IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與(yu) 柵源電壓Ugs 之間的關(guan) 係曲線。它與(yu) MOSFET的轉移特性相同，當柵源電壓小於(yu) 開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處於(yu) 關(guan) 斷狀態。在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍內(nei) ， Id 與(yu) Ugs呈線性關(guan) 係。最高柵源電壓受最大漏極電流限製，其最佳值一般取為(wei) 15V左右。
　　IGBT 的開關(guan) 特性是指漏極電流與(yu) 漏源電壓之間的關(guan) 係。IGBT 處於(yu) 導通態時，由於(yu) 它的PNP 晶體(ti) 管為(wei) 寬基區晶體(ti) 管，所以其B 值極低。盡管等效電路為(wei) 達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為(wei) IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示：
　　Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
　　式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為(wei) 0.7 ～1V ;Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。
　　通態電流Ids 可用下式表示：
　　Ids=(1+Bpnp)Imos
　　式中Imos ——流過MOSFET 的電流。
　　由於(yu) N+ 區存在電導調製效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為(wei) 2 ～ 3V 。IGBT 處於(yu) 斷態時，隻有很小的泄漏電流存在。
　　1動態特性
　　IGBT在開通過程中，大部分時間是作為(wei) MOSFET 來運行的，隻是在漏源電壓Uds 下降過程後期， PNP晶體(ti) 管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為(wei) 開通延遲時間，tri為(wei) 電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為(wei) td (on) tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成。
　　IGBT的觸發和關(guan) 斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產(chan) 生。當選擇這些驅動電路時，必須基於(yu) 以下的參數來進行：器件關(guan) 斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為(wei) IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由於(yu) IGBT的輸入電容較MOSFET為(wei) 大，故IGBT的關(guan) 斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。
　　IGBT的開關(guan) 速度低於(yu) MOSFET，但明顯高於(yu) GTR。IGBT在關(guan) 斷時不需要負柵壓來減少關(guan) 斷時間，但關(guan) 斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
　　IGBT的工作原理：
　　IGBT是將強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由於(yu) 實現一個(ge) 較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(ge) 源漏通道，而這個(ge) 通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個(ge) 低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個(ge) 標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，並簡化IGBT驅動器的原理圖。
　　N溝型的IGBT工作是通過柵極-發射極間加閥值電壓VTH以上的(正)電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層(溝道)，開始從(cong) 發射極電極下的n-層注入電子。該電子為(wei) p+n-p晶體(ti) 管的少數載流子，從(cong) 集電極襯底p+層開始流入空穴，進行電導率調製(雙極工作)，所以可以降低集電極-發射極間飽和電壓。工作時的等效電路如圖1(b)所示，IGBT的符號如圖1(c)所示。在發射極電極側(ce) 形成n+pn-寄生晶體(ti) 管。若n+pn-寄生晶體(ti) 管工作，又變成p+n- pn+晶閘管。電流繼續流動，直到輸出側(ce) 停止供給電流。通過輸出信號已不能進行控製。一般將這種狀態稱為(wei) 閉鎖狀態。
　　為(wei) 了抑製n+pn-寄生晶體(ti) 管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體(ti) 管的電流放大係數α作為(wei) 解決(jue) 閉鎖的措施。具體(ti) 地來說，p+n-p的電流放大係數α設計為(wei) 0.5以下。 IGBT的閉鎖電流IL為(wei) 額定電流(直流)的3倍以上。IGBT的驅動原理與(yu) 電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決(jue) 定。
　　導通
　　IGBT矽片的結構與(yu) 功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(ge) N+ 緩衝(chong) 層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個(ge) 部分)，其中一個(ge) MOSFET驅動兩(liang) 個(ge) 雙極器件。基片的應用在管體(ti) 的P+和N+ 區之間創建了一個(ge) J1結。當正柵偏壓使柵極下麵反演P基區時，一個(ge) N溝道形成，同時出現一個(ge) 電子流，並完全按照功率MOSFET的方式產(chan) 生一股電流。如果這個(ge) 電子流產(chan) 生的電壓在0.7V範圍內(nei) ，那麽(me) ，J1將處於(yu) 正向偏壓，一些空穴注入N-區內(nei) ，並調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，並啟動了第二個(ge) 電荷流。最後的結果是，在半導體(ti) 層次內(nei) 臨(lin) 時出現兩(liang) 種不同的電流拓撲：一個(ge) 電子流(MOSFET 電流);空穴電流(雙極)。uGE大於(yu) 開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nei) 形成溝道，為(wei) 晶體(ti) 管提供基極電流，IGBT導通。
　　導通壓降
　　電導調製效應使電阻RN減小，使通態壓降小。
　　關(guan) 斷
　　當在柵極施加一個(ge) 負偏壓或柵壓低於(yu) 門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內(nei) 。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guan) 階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為(wei) 換向開始後，在N層內(nei) 還存在少數的載流子(少子)。這種殘餘(yu) 電流值(尾流)的降低，完全取決(jue) 於(yu) 關(guan) 斷時電荷的密度，而密度又與(yu) 幾種因素有關(guan) ，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高;交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。
　　鑒於(yu) 尾流與(yu) 少子的重組有關(guan) ，尾流的電流值應與(yu) 芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guan) 的空穴移動性有密切的關(guan) 係。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的，尾流特性與(yu) VCE、IC和 TC有關(guan) 。
　　柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nei) 的溝道消失，晶體(ti) 管的基極電流被切斷，IGBT關(guan) 斷。
　　反向阻斷
　　當集電極被施加一個(ge) 反向電壓時，J1 就會(hui) 受到反向偏壓控製，耗盡層則會(hui) 向N-區擴展。因過多地降低這個(ge) 層麵的厚度，將無法取得一個(ge) 有效的阻斷能力，所以，這個(ge) 機製十分重要。另一方麵，如果過大地增加這個(ge) 區域尺寸，就會(hui) 連續地提高壓降。
　　正向阻斷
　　當柵極和發射極短接並在集電極端子施加一個(ge) 正電壓時，P/NJ3結受反向電壓控製。此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。
　　閂鎖
　　IGBT在集電極與(yu) 發射極之間有一個(ge) 寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會(hui) 導通。這種現象會(hui) 使集電極與(yu) 發射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控製能力降低，通常還會(hui) 引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為(wei) IGBT閂鎖，具體(ti) 地說，這種缺陷的原因互不相同，與(yu) 器件的狀態有密切關(guan) 係。通常情況下，靜態和動態閂鎖有如下主要區別：
　　式中Imos ——流過MOSFET 的電流。
　　隻在關(guan) 斷時才會(hui) 出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴(yan) 重地限製了安全操作區。
　　為(wei) 防止寄生NPN和PNP晶體(ti) 管的有害現象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別；二是降低NPN和PNP晶體(ti) 管的總電流增益。
　　此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與(yu) 結溫的關(guan) 係也非常密切;在結溫和增益提高的情況下，P基區的電阻率會(hui) 升高，破壞了整體(ti) 特性。因此，器件製造商必須注意將集電極最大電流值與(yu) 閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為(wei) 1：5。