絕緣ぜつえん柵しがらみ雙極そうきょく晶あきら體からだ管かん

絕緣ぜつえん柵しがらみ雙極そうきょく電でん晶あきら體からだ（英語えいご：Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT），是ぜ半導體はんどうたい器き件けん的てき一いち種しゅ，主要しゅよう用よう於電動でんどう車輛しゃりょう、鐵路てつろ機き車しゃ及動どう車しゃ組ぐみ的てき交流こうりゅう電でん電動でんどう機き的てき輸出ゆしゅつ控ひかえ制せい。传统的てきBJT导通电阻小しょう，但ただし是ぜ驱动电流大だい，而MOSFET的てき导通电阻大だい，却有着ぎ驱动电流小しょう的てき优点。IGBT正せい是ぜ结合了りょう这两者しゃ的てき优点：不ふ仅驱动电流りゅう小しょう，导通电阻也很低ひく。

構造こうぞう[编辑]

這種電でん晶あきら體からだ結合けつごう了りょう金属きんぞく氧化物ぶつ半はん导体场效应晶体からだ管かん（MOSFET）的てき高だか電流でんりゅう單たん柵しがらみ控ひかえ制せい特性とくせい及雙極そうきょく性せい電でん晶あきら體からだ的てき低てい飽和ほうわ電壓でんあつ的てき能力のうりょく，在ざい單一たんいつ的てきIGBT器き件けん裡うら，會かい透過とうか把わ一いち個こ隔離かくり的てき場ば效こう應おう電でん晶あきら體からだ（FET）結合けつごう，作為さくい其控制せい輸入ゆにゅう，並なみ以雙極性きょくせい電でん晶あきら體からだ作さく開ひらき關せき。

用途ようと和わ特徵とくちょう[编辑]

絕緣ぜつえん柵しがらみ雙極そうきょく晶あきら體からだ管かん其基本きほん包裝ほうそう為ため三さん個こ端點たんてん的てき功こう率りつ級きゅう半導體はんどうたい元もと件けん，其特點てん為ため高だか效率こうりつ及切換かわ速度そくど快かい，為ため改善かいぜん功こう率りつ級きゅうBJT運うん作さく的てき工作こうさく狀じょう況きょう而誕生たんじょう。

IGBT結合けつごう了りょう場ば效こう電でん晶あきら體からだ閘極易えき驅動くどう的てき特性とくせい與あずか雙極そうきょく性せい電でん晶あきら體からだ耐たい高だか電流でんりゅう與あずか低てい導通どうつう電壓でんあつ壓あつ降くだ特性とくせい，IGBT通どおり常用じょうよう於中高だか容量ようりょう功こう率りつ場合ばあい，如切せつ換かわ式しき電源でんげん供應きょうおう器き、馬うま達たち控ひかえ制せい與あずか電磁でんじ爐ろ。大型おおがた的てきIGBT模も組ぐみ應用おうよう於數百安培與六千伏特的電力系統領域，其模組ぐみ內部包含ほうがん數すう個こ單一たんいつIGBT元もと件けん與あずか保護ほご電路でんろ。

IGBT為ため近きん數すう十じゅう年ねん發明はつめい產物さんぶつ，第だい一いち代だいIGBT產品さんぴん於1980年代ねんだい與あずか1990年ねん初期しょき，但ただし其切換かわ速度そくど不快ふかい且開關せき截止時じ易えき產さん生せい闩鎖與あずか二に次じ崩潰ほうかい現象げんしょう，第だい二に代だいIGBT產品さんぴん便びん有ゆう很大的てき進展しんてん，第だい三さん代だいIGBT產品さんぴん為ため目前もくぜん主流しゅりゅう，其切せつ換かわ速度そくど（英えい语：Switching frequency）直ちょく逼功率りつ級きゅうMOSFET的てき速度そくど並なみ且在電壓でんあつ電流でんりゅう容量ようりょう上じょう有ゆう很大的てき進步しんぽ。

原理げんり[编辑]

IGBT是ぜ强きょう电流、高こう压应用よう和わ快速かいそく终端设备用よう垂直すいちょく功こう率りつMOSFET的てき自然しぜん进化。由よし于实现一个较高的击穿电压 BV_DSS 需要じゅよう一个源漏通道，而这个通道どう却具有ぐゆう很高的てき电阻率りつ，因いん而造成功せいこう率りつMOSFET具有ぐゆう R_DS(on) 数かず值高的てき特とく征せい，IGBT消しょう除じょ了りょう现有功ゆうこう率りつMOSFET的てき这些主要しゅよう缺点けってん。虽然最新さいしん一いち代だい功こう率りつMOSFET 器き件けん大幅おおはば度ど改あらため进了 R_DS(on) 特性とくせい，但ただし是ぜ在高ありだか耐たい壓あつ的てき器き件けん上じょう，功こう率りつ导通损耗仍然要よう比ひIGBT 技わざ术高出で很多。较低的てき压降，转换成なり一いち个低 V_CE(sat) 的てき能力のうりょく，以及IGBT的てき结构，同どう一个标准双极器件相比，可か支持しじ更さら高だか电流密度みつど，并简化かIGBT驱动器き的てき原理げんり图。

导通[编辑]

IGBT的てき结构与功こう率りつMOSFET十じゅう分ふん相似そうじ，主要しゅよう差さ异是IGBT增加ぞうか了りょうP+基もと片へん和わ一いち个N+缓冲层（NPT-非ひ穿ほじ通どおり-IGBT技わざ术没有ゆう增加ぞうか这个部分ぶぶん），如等效こう电路图所示しめせ，其中一いち个MOSFET驱动两个双そう极器件けん。

基もと片へん的てき应用在ざい管かん体たい的てきP+和わN+区く之の间创建たて了一りょういち个J1结，当正とうせい栅偏压使栅极下面かめん反はん演えんじP基もと区く时，一いち个N沟道形成けいせい，同どう时出现一个电子こ流りゅう，并完全ぜん按照功こう MOSFET的てき方式ほうしき产生电流。如果电子流りゅう产生的てき电压在ざい 0.7 V 范围内ない，那な么J1将しょう处于正ただし向こう偏へん压状态，一いち些空穴あな注入ちゅうにゅうN-区内くない，并调整せい阴阳极之间的电阻率りつ，这种方式ほうしき降くだ低てい了りょう功こう率りつ导通的てき总损耗，并启动了第だい二に个电子こ流りゅう。最さい后きさき的てき结果是ぜ，在ざい半はん导体层次内ない临时出で现两种不同ふどう的てき电流拓つぶせ扑，即そく一いち个电子こ流りゅう（MOSFET 电流）和かず空そら穴あな电流（双そう极）。

关断[编辑]

当とう在ざい栅极施ほどこせ加か一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被ひ禁止きんし，没ぼつ有ゆう空そら穴あな注入ちゅうにゅうN-区内くない。在任ざいにん何なん情じょう况下，如果MOSFET电流在ざい开关阶段迅速じんそく下降かこう，集しゅう电极电流则逐渐降低てい，这是因いん为换向こう开始后きさき，在ざいN层内还存在そんざい少数しょうすう的てき载流子こ（少子しょうし）。这种残余ざんよ电流值（尾お流りゅう）的てき降くだ低てい，完全かんぜん取と决于关断时电荷に的てき密度みつど，而密度ど又また与あずか几种因いん素もと有ゆう关，如掺杂质的てき数量すうりょう和かず拓たく扑，层次厚あつ度たび和わ温度おんど。少子しょうし的てき衰おとろえ减使集しゅう电极电流具有ぐゆう特とく征せい尾お流りゅう波形はけい，集しゅう电极电流引起功こう耗升高和こうわ交叉こうさ导通问题，特とく别是在ざい使用しよう续流二に极管的てき设备上じょう，问题更さら加か明あかり显。

鉴于尾お流りゅう与あずか少子しょうし的てき重じゅう组有关，尾び流りゅう的てき电流值应与芯しん片へん的てき温度おんど，以及与あずかI_C 和わV_CE 密みつ切きり相しょう关的空そら穴あな移うつり动性有ゆう密みつ切きり关系。因よし此，根ね据すえ所しょ达到的てき温度おんど，降くだ低てい这种作用さよう在ざい终端设备设计上じょう的てき电流的てき不ふ理想りそう效こう应是可か行ぎょう的てき。

阻断与あずか闩锁[编辑]

当とう集しゅう电极被ひ施ほどこせ加か一个反向电压时， J1受到反はん向こう偏へん压控制せい，耗尽层则会かい向むこうN-区く扩展。因よし过多地ち降くだ低てい这个层面的てき厚あつ度たび，将はた无法取得しゅとく一个有效的阻断能力，所以ゆえん，这个机つくえ制せい十じゅう分ふん重要じゅうよう。

另一方面ほうめん，如果过大地ち增加ぞうか这个区域くいき尺寸しゃくすん，就会连续地ち提ひさげ高だか压降，因いん此I_C 和かず电荷移うつり动速度そくど相しょう同どう时，NPT器き件けん的てき压降比ひ等とう效こうPT器き件けん的てき高だか。

当とう栅极和わ发射极短接せっ并在集しゅう电极端子たんし施ほどこせ加か一个正电压时，P/N J3结受反はん向こう电压控ひかえ制せい。此时，仍然是ぜ由よしN漂移区く中ちゅう的てき耗尽层承受外部ぶ施ほどこせ加か的てき电压。

IGBT在ざい集しゅう电极与发射极之间有一いち个寄生きせいPNPN晶あきら闸管，如图1所しょ示しめせ。在ざい特殊とくしゅ条件下じょうけんか，这种寄生きせい器き件けん会かい导通。这种现象会かい使つかい集しゅう电极与发射极之间的电流量りょう增加ぞうか，对等效こうMOSFET的てき控ひかえ制せい能力のうりょく降くだ低てい，通常つうじょう还会引起器き件けん击穿问题。晶あきら闸管导通现象被ひ称しょう为IGBT闩锁。具体ぐたい地ち说，这种缺陷けっかん的てき原因げんいん互不相しょう同どう，与あずか器うつわ件けん状じょう态关系けい密みつ切きり：通常つうじょう情じょう况下，当とう晶あきら闸管全部ぜんぶ导通时，静せい态闩锁出现，只ただ在ざい关断时才会かい出で现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止ぼうし寄生きせいNPN和わPNP晶あきら体からだ管かん的てき有害ゆうがい现象，有ゆう必要ひつよう采さい取と以下いか措施：防止ぼうしNPN部分ぶぶん接せっ通どおり，分ふん别改变布局きょく和わ掺杂级别；降くだ低ていNPN和わPNP晶あきら体からだ管かん的てき总电流りゅう增益ぞうえき。

此外，闩锁电流对PNP和わNPN器き件けん的てき电流增益ぞうえき有ゆう一定いってい的てき影かげ响，因いん此，它与结温的てき关系也非常ひじょう密みつ切きり；在ざい结温和おんわ增益ぞうえき提ひさげ高だか的てき情じょう况下，P基もと区く的てき电阻率りつ会かい升ます高だか，破やぶ坏了整体せいたい特性とくせい。因よし此，器うつわ件けん制せい造づくり商しょう必须注意ちゅうい将しょう集しゅう电极最大さいだい电流值与闩锁电流之の间保持ほじ一定いってい的てき比例ひれい，通常つうじょう比例ひれい为1:5。

應用おうよう範圍はんい[编辑]

電でん聯れん車しゃ或ある電動でんどう車輛しゃりょう之これ馬うま達いたる驅動くどう器き、變へん頻しき冷氣れいき、變へん頻しき冰箱，甚至是ぜ大だい瓦かわら特とく輸出ゆしゅつ音響おんきょう放ひ大器たいき的てき音源おんげん驅動くどう元もと件けん。IGBT特とく點在てんざい於可以大功こう率りつ場合ばあい可か以快速そく做切換かわ動作どうさ，因いん此通常つうじょう應用おうよう方面ほうめん都と配合はいごう脈みゃく衝寬度ど調ちょう變へん（Pulse Width Modulation,PWM）與あずか低てい通つう濾波器き（Low-pass Filters）。

由よし於半導體はんどうたい元もと件けん技術ぎじゅつ的てき精進しょうじん，半導體はんどうたい源げん料りょう品質ひんしつ的てき提ひさげ升ます，IGBT單價たんか價格かかく越來ごえく越えつ便宜べんぎ，其應用おうよう範圍はんい更さら貼は近家ちかいえ用よう產品さんぴん範圍はんい，不ふ再さい只ただ是ぜ高だか功こう率りつ級きゅう的てき電力でんりょく系統けいとう應用おうよう範疇はんちゅう，如電動でんどう車輛しゃりょう與あずか混合こんごう動力どうりょく車しゃ的てき馬うま達たち驅動くどう器き便びん是ぜ使用しようIGBT元もと件けん，豐田とよだ汽車きしゃ第だい二に代だい混合こんごう動力どうりょく車しゃ Prius II 便びん使用しよう50kw IGBT模も組ぐみ變へん頻しき器うつわ控ひかえ制せい兩りょう組くみ交流こうりゅう馬ば達たち/發電はつでん機き以便與あずか直流ちょくりゅう電池でんち組ぐみ作さく電力でんりょく能のう量りょう之の間あいだ的てき轉換てんかん。

參考さんこう來らい源げん[编辑]

引用いんよう

書目しょもく

施ほどこせ敏さとし; 伍ご國こく珏; 譯者やくしゃ：張ちょう鼎かなえ張ちょう、劉りゅう柏かしわ村むら. 半導體はんどうたい元もと件けん物理ぶつり學がく(上うえ冊さつ). 臺灣たいわん: 國立こくりつ交通こうつう大學だいがく. 2008-08-01 [2008]. ISBN 978-986-843-951-1 （中ちゅう文ぶん）. （繁しげる體たい中ちゅう文ぶん）
施ほどこせ敏さとし; 伍ご國こく珏; 譯者やくしゃ：張ちょう鼎かなえ張ちょう、劉りゅう柏かしわ村むら. 半導體はんどうたい元もと件けん物理ぶつり學がく(下しも冊さつ). 臺灣たいわん: 國立こくりつ交通こうつう大學だいがく. 2009-04-14 [2009]. ISBN 978-986-843-954-2 （中ちゅう文ぶん）. （繁しげる體たい中ちゅう文ぶん）

外部がいぶ連結れんけつ[编辑]

Device physics information （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆） from the University of Glasgow
Spice model for IGBT （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）
IGBT driver calculation （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）