什么是IGBT?

基本结构与工作原理
IGBT由输入侧的MOSFET结构和输出侧的双极型晶体管（BJT）结构组成。
当在栅极施加电压时，MOSFET部分导通，从而使集电极与发射极之间产生电流。
图1显示了N沟道IGBT的符号，图2显示了N沟道IGBT的等效电路。
关于IGBT能够承受大电流的原因，以及器件内部载流子的行为(导电调制效应)，将在后续章节中进行说明。
有关工作原理的更多信息，请参阅以下常见问题（FAQ）：
>IGBT的工作原理是什么？

图1注：
图1显示了N沟道IGBT的电路符号。栅极以与其他端子线分离的垂直线形式绘制，表明栅极在电气上与其他端子绝缘。与集电极和发射极相关的箭头表示电流的流动方向。绘制在集电极与发射极之间的垂直线以示意方式表示电流通道由MOSFET栅极控制形成，并不代表器件内部的物理沟道结构。

图2注：
图2显示了N沟道IGBT的等效电路。该器件可表示为一个N沟道MOSFET与一个PNP型双极晶体管（BJT）的组合。蓝色实线表示器件导通状态下的主电流路径。外部集电极端子对应于芯片背面的p+层（即PNP型BJT的发射极侧），电流通过MOSFET部分流向发射极。该等效电路示意了IGBT中MOSFET与BJT协同工作的整体运行机制。

MOSFET、BJT与IGBT的比较
IGBT的设计目标是结合MOSFET与BJT的优点，如下所示。

• MOSFET特性：
  • 高输入阻抗
  • 开关速度快
  • 但在设计为高击穿电压时，导通电阻往往会增大
• BJT特性：
  • 导通电压低，导电损耗小
  • 但输入阻抗低，开关速度相对较慢 
• IGBT特性：
  • 高输入阻抗
  • 开关速度低于MOSFET，但仍较快
  • 即使在高击穿电压等级下，也能保持较低的导通电压

基于上述特性，IGBT被广泛应用于空调、冰箱、洗衣机和微波炉等消费类产品，以及电梯、机器人和机床等工业设备中。 

IGBT的结构
IGBT是一种将MOSFET结构与双极型晶体管（BJT）结构相结合的垂直型功率器件。
当栅极电压在MOSFET部分形成沟道时，电流便在集电极与发射极之间流动。
图3显示了N沟道IGBT的整体结构，图4显示了与该结构对应的等效电路。
典型的IGBT结构是一种垂直结构，即在横向MOSFET的漂移区（n−层）下方增加一层p+层，该p+层作为外部集电极。 

图4所示的等效电路由基本器件结构推导而来，该等效电路中包含在简化等效模型中未表示的寄生NPN双极晶体管。这些寄生元件共同形成了一个晶闸管结构。
由此产生的锁存效应将在后续章节中加以说明。
电子通过在漏极侧（芯片表面）附近形成的沟道注入n−层，同时空穴从p+层侧注入，从而形成不同于单极型MOSFET的双极电流通道。
这种垂直层状结构正是IGBT适用于高电压和高电流应用的根本原因。

有关IGBT结构的更多信息，请参阅以下e-learning内容：
>3-18.IGBT的性能改进：垂直设计的发展

寄生晶闸管结构与锁存效应
如图4所示，IGBT内部存在寄生的NPN型和PNP型晶体管，从而形成了一种晶闸管结构。
如果该寄生晶闸管因发热或异常条件而导通，就可能发生锁存现象，使集电极与发射极之间的通路几乎呈现短路状态，从而导致过流并可能引发器件损坏。
然而，寄生NPN晶体管的基极—发射极电阻（p区电阻）被设计得非常小，这抑制了寄生NPN晶体管的主动导通。因此，现代IGBT在结构设计上已使锁存现象极少发生。

电导率调制
在MOSFET中，提高击穿电压通常会导致导通电阻增大。
电导率调制是IGBT中用于在高电压条件下抑制导通电阻增大的机制。
在IGBT中，大部分集电极电流从PNP型BJT的发射极（即IGBT的集电极）流向其基极。该电流通过漂移区（n−层），经由MOSFET的漏源通道，最终到达IGBT的发射极。这构成了IGBT中的主电流通路。
漂移区的电阻通过电导率调制而降低。电导率调制是pn结二极管和BJT等双极型器件所共有的特性，而不会出现在MOSFET或肖特基势垒二极管（SBD）等单极型器件中。
当IGBT导通时，大量空穴从p+集电极层注入到n−漂移层中。为了维持电荷中性，电子也通过MOSFET沟道从n+层一侧注入。结果是在n−层中，电子和空穴的载流子浓度同时显著增加（高注入状态），从而提高了导电能力。
换言之，电导率调制是指随着电子和空穴数量的增加，n−层电阻降低的现象。
图5显示了电导率调制过程中载流子的行为以及相应的等效电路表示。
在该图中，与外部集电极端子（C）相连的PNP型BJT被表示为一个二极管，而因导电调制而发生变化的漂移区电阻则用可变电阻来表示。

拖尾电流
当IGBT从导通状态切换至关断状态时，栅极与发射极被短路或施加反向偏置，从而释放栅极电荷并消除沟道，使MOSFET部分关断。
然而，集电极电流不会立即停止，而是以托尾电流的形式持续一段时间。这种托尾电流的产生是由于在导电调制过程中存储于n−漂移层中的过剩电子和空穴仍然存在，在这些载流子复合并消失之前，电流仍会继续流动。
拖尾电流会影响开关损耗，是电路设计中需要重点考虑的重要因素。

有关更多信息，请参阅以下常见问题（FAQ）：
> 电导率调制：什么是电导率调制？
> 拖尾电流：什么是IGBT的拖尾电流？