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法學絕緣柵雙極電晶體的工作原理和特性
絕緣柵雙極型電晶體 (IGBT) 是一種具有三個端子——柵極 (G)、發射極 (E) 和集電極 (C)——的半導體器件。IGBT 結合了 BJT 和功率 MOSFET 的最佳特性。因此，IGBT 具有與 PMOSFET 相同的高輸入阻抗，並且像 BJT 一樣具有低的導通狀態功耗。
IGBT 也免受 BJT 中存在的二次擊穿問題的困擾。
IGBT 也被稱為絕緣柵電晶體 (IGT)、金屬氧化物絕緣柵電晶體 (MOSIGT)、導電調製場效應電晶體 (COMFET) 或增益調製 FET (GEMFET)。
IGBT 的基本結構和符號
IGBT 由集電極的 p+ 襯底構成。在 IGBT 中，p+ 襯底被稱為注入層，因為它將空穴注入 N-層（位於 P+層和 P層之間），該層被稱為漂移區。N-層的厚度決定了 IGBT 的電壓阻斷能力。P-層被稱為 IGBT 的體區，體區用於容納 J2 結的耗盡區。
IGBT 的工作原理
當集電極相對於發射極呈正偏時，IGBT 處於正向偏置狀態。當柵極和發射極之間不施加電壓時，N-區和 P區之間的 J2 結反向偏置，因此沒有電流從集電極流向發射極。
當透過源 VG 將正電壓施加到柵極相對於發射極，且柵極-發射極電壓大於 IGBT 的閾值電壓 (VGET) 時，就會在柵極正下方的 p 區上部感應出一個 n 溝道或反型層。這個 n 溝道將 N--區與 N+-發射極區短路。
電子開始透過 n 溝道從 N+ 區流向 N- 區。由於 IGBT 處於正向偏置狀態，因此 P+ 集電極區將空穴注入 N-漂移區，從而使 N-漂移區中的注入載流子密度大量增加，進而使 N-區的電導率顯著提高。因此，IGBT 導通並開始導通正向集電極電流 IC。
集電極電流 (IC) 或發射極電流 (IE) 由兩個分量組成，一個是由注入空穴引起的空穴電流 (Ih)，另一個是由注入電子引起的電子電流 (Ie)。因此，
集電極或負載電流 𝐼𝐶 = 發射極電流 IC=Ih+Ie
由於集電極電流的主要分量是電子電流 (Ie)。因此，
$$\mathrm{I_{c} \cong I_{E}}$$
IGBT 的導通狀態電壓降為：
VCE.on = 電壓降[n溝道內 + N-區漂移區內 + 正向偏置 P+ N− 結 J1]
IGBT 的輸出或靜態 I-V 特性
IGBT 的靜態 I-V 特性或輸出特性是集電極電流 (IC) 和集電極-發射極電壓 (VCE) 之間的曲線圖，針對不同的柵極-發射極電壓繪製。
正向輸出特性與 BJT 的相似。電壓 VRM 是最大反向擊穿電壓。
IGBT 的轉移特性
IGBT 的轉移特性是集電極電流 (IC) 和柵極-發射極電壓 (VGE) 之間的曲線圖。當 VGE 的值小於閾值電壓 (VGET) 時，IGBT 保持關閉狀態。
IGBT 的優點
- 較低的柵極驅動器要求
- 較低的開關損耗
- 較小的鉗位電路要求
- 體積更小，成本更低
- 效率高
IGBT 的應用
- IGBT 用於直流和交流電機驅動器
- 用於不間斷電源系統 (UPS)
- 用於電磁閥、繼電器和接觸器的電源和驅動器
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