[初阶科普向] IGBT这玩意儿——定义怎么看

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。

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V_GS不加电压时，不论漏极-源极电压V_DS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V_GS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V_DS＞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V_GE>0V，V_CE>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V_CE，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。具体原理在这里暂时不讲，后续再为大家更新。

IGBT和BJT、MOSFET之间的因果故事

BJT出现在MOSFET之前，而MOSFET出现在IGBT之前，所以我们从中间者MOSFET的出现来阐述三者的因果故事。

MOSFET的出现可以追溯到20世纪30年代初。德国科学家Lilienfeld于1930年提出的场效应晶体管概念吸引了许多该领域科学家的兴趣，贝尔实验室的Bardeem和Brattain在1947年的一次场效应管发明尝试中，意外发明了电接触双极晶体管（BJT）。

两年后，同样来自贝尔实验室的Shockley用少子注入理论阐明了BJT的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。

1960年，埃及科学家Attala及韩裔科学家Kahng在用二氧化硅改善BJT性能的过程中意外发明了MOSFET场效应晶体管，此后MOSFET正式进入功率半导体行业，并逐渐成为其中一大主力。

发展到现在，MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等，具有门极输入阻抗高、驱动功率小、电流关断能力强、开关速度快、开关损耗小等优点。

随着下游应用发展越来越快，MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻，人们曾经尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻，但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。这显然不是理想的改进办法。

但是如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构，就不仅能够保留MOSFET原有优点，还可以通过BJT结构的少数载流子注入效应对n漂移区的电导率进行调制，从而有效降低n漂移区的电阻率，提高器件的电流能力。

经过后续不断的改进，目前IGBT已经能够覆盖从600V—6500V的电压范围，应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。IGBT凭借其高输入阻抗、驱动电路简单、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。

总体来说，BJT、MOSFET、IGBT三者的关系就像下面这匹马

当然

更准确来说，这三者虽然在之前的基础上进行了改进，但并非是完全替代的关系，三者在功率器件市场都各有所长，应用领域也不完全重合。因此，在时间上可以将其看做祖孙三代的关系，但在技术、应用等方面更像是并列关系。

以上就是从概念出发来理解IGBT的全部内容，个人所见，如有失偏颇，希望大家能在评论区指出来，一起进步哇！