作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

绝缘栅双极型场效应晶体管（IGBT）就是在VDMOSFET和LDMOSFET的基础之上，再引入少数载流子进去参与工作，使得其中电阻率较高的耐压层发生电导调制效应（即Webster效应），从而降低了器件的导通电阻，提高了电流容量；并同时还带来许多其他的好处。

（1）IGBT的基本结构：

上图示出了增强型n型沟道IGBT的两种基本结构，一种是横向结构，另一种是纵向结构。显然，这些结构实际上也就是把VDMOSFET以及LDMOSFET的漏极区（n⁺区）改换为p⁺区而得到的。由图示的结构可以见到，IGBT可以看成为是在DMOSFET的漏极上接有一个p⁺-n结二极管的复合器件；IGBT也可以看成为是一个阴极短路的n⁺-p-n^--p⁺四层晶闸管，但是当该器件出现沟道之后，源极区（n⁺区）与漂移区（n^-区）是相连接的；此外，IGBT还可以看成为是一个DMOSFET与一个p⁺-n^--p双极型晶体管（p⁺漏极区是发射区）的组合器件。总之，IGBT是一种场效应器件与双极型器件组合而成的一种复合器件。

上图示出的IGBT都是n型沟道器件，当然，也可以制作出p型沟道IGBT。

（2）IGBT的工作特性：

IGBT的伏安特性曲线如图示。在IGBT的栅极0偏时，器件不出现沟道，则这时的IGBT等效为一个具有阴极短路结构的转折二极管（为p-n-p-n结构）；不管源-漏电压VDS是正、还是负，通过的源-漏电流IDS都最小，一直到发生击穿时电流才急剧增加，如图中的左、右两条击穿曲线（VDS为正时，是p-n-结的击穿；VDS为负时，是p+-n-结的击穿）。

当栅-源电压VGS大于阈值电压时，则出现沟道，并且n+区和n-区通过沟道而连成了一体。这时IGBT将随着正偏源-漏电压VDS的不同，而会出现三种工作模式：

① VDS<0.7V时：

这时整个IGBT可以等效为一个DMOSFET与一个p+-n--n+二极管（即p-i-n二极管）的串联，则器件的总电流（IDS）决定于p-i-n二极管的电流，而且与栅电压无关,有随电压VDS而指数式上升的电流通过。于是，IGBT的电流在图示的输出伏安特性上即表现为起始的一段曲线（存在偏移电压）。

② VDS>0.7V时：

这是IGBT的一般工作状态，这时IGBT可以等效为一个处于导通状态的DMOSFET与一个处于放大状态的寄生p+-n--p双极型晶体管的组合。这时，IGBT的总电流（IDS）比DMOSFET的电流（Imos）增大了β倍，当然，IGBT的输出伏安特性曲线的形状也就必然与DMOSFET的相同，如图中的水平曲线族所示。并且这也就说明，与相同尺寸的功率MOSFET相比，IGBT的输出电流和跨导都增大了一倍。同时，通过BJT发射极的少数载流子电流与通过DMOSFET的多数载流子电流在大小上差不多。

③ IDS很大时：

当IGBT的输出电流大于某个临界值时，其中的n+-p-n--p+晶闸管将起作用。这时的伏安特性如图中的一条低压、大电流曲线所示。当然，在晶闸管导通以后，整个IGBT的导通电阻将变得很低；但是这种工作状态并不是人们所希望的，因为这时晶闸管的导通也就使它进入锁定状态——闩锁效应，当IGBT一旦进入到这种状态后，其栅极就失去了控制能力，即栅极电压再也不能关断源-漏电流了。而栅极的控制作用正是IGBT优越于SCR之处。所以，为了让IGBT不容易进入闩锁状态，以提高工作电流，可以适当地降低其中寄生BJT的电流放大系数；在图中示出的器件都采用了阴极短路结构，其目的也就在于降低寄生n+-p-n-晶体管的电流放大系数。

总而言之，IGBT的输出特性曲线示出了器件在不同工作状态的特性，这种复杂的图形可以认为是由MOSFET的输出特性曲线与n-p-n-p晶闸管的正向阻断特性曲线重叠起来构成的。 

（3）IGBT的优缺点：

由于IGBT合理地组合了MOS场效应器件和双极型器件，所以IGBT就兼备了这两种器件的突出特点。

IGBT的主要优点有：

① IGBT在正常工作时，导通电阻较低，增大了器件的电流容量。

② IGBT的输出电流和跨导都大于相同尺寸的功率MOSFET。

③ 较宽的低掺杂漂移区（n-区）能够承受很高的电压，因而可以实现高耐压的器件。

④ IGBT利用栅极可以关断很大的漏极电流。

⑤ 与MOSFET一样，IGBT具有很大的输入电阻和较小的输入电容，则驱动功率低，开关速度高。

⑥若把IGBT的p+漏极区分割为几个不同导电型号的区域（即再加进几个n+层），这就可以降低漏极p-n结对电子的阻挡作用，则还可进一步减小器件的导通电阻。

IGBT也具有若干重大的的缺点：

① 因为IGBT工作时，其漏极区（p+区）将要向漂移区（n-区）注入少数载流子——空穴，则在漂移区中存储有少数载流子电荷；当IGBT关断（栅极电压降为0）时，这些存储的电荷不能立即去掉，从而IGBT的漏极电流也就相应地不能马上关断，即漏极电流波形有一个较长时间的拖尾——关断时间较长（10～50ms）。所以IGBT的工作频率较低。为了缩短关断时间，可以采用电子辐照等方法来降低少数载流子寿命，但是这将会引起正向压降的增大等弊病。

② IGBT中存在有寄生晶闸管——MOS栅控的n+-p-n--p+晶闸管结构，这就使得器件的最大工作电流要受到此寄生晶闸管闭锁效应的限制（采用阴极短路技术可以适当地减弱这种不良影响）。