【保姆级科普】IGBT的前世今生

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IGBT的前世今生

Insulated Gate Bipolar Transistor

 
 
 
 
 
强大的IGBT
 
 
 
 
 

润科技,你知道IGBT究竟是什么吗,这两天刷新闻总是能刷到,不明觉厉的亚子

 

哈哈,别急,我先从TA广泛的应用场景开始讲起

IGBT

的应用频率主要在1K~100K之间,电压从650V~6500V之间。被广泛应用到以电磁炉、电冰箱、洗衣机为代表的家电领域,以光伏、移动储能、UPS、变频器、电焊机为代表的工业控制领域,以新能源汽车驱动、汽车空调、汽车OBC等为代表的汽车电子领域,此外还被应用到国家电网、高铁、航空等国家核心相关行业

    根据国务院办公厅2020年发布《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%,新能源汽车半导体市场规模有望达到62.8亿-73.2亿美元,其中,功率IGBT价值占比达10%

 

    IGBT被誉为功率器件的“皇冠”。要想学习IGBT的基本原理,绕不开的就是BJTMOSFET,所以我们要先对这两个器件有所认识

IGBT的前世今生
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“BABA”
 
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BJT
 
 

BJT,双极性结型晶体管(bipolar junction transistor),也就是我们常说的三极管

 

    在介绍其工作原理之前,咱先翻翻高中物理化学课本,回顾一下半导体的一些基本概念

半导体是介于导体和绝缘体之间的一种介质,在不同的条件下可以表现出导电或者不导电的特性。电子半导体器件所用的材料多为硅、锗四价元素。所以硅元素不容易得失电子,要掺杂三价元素(如硼)和五价元素(如磷)来形成空穴电子,从而就有了P、N型半导体

N型半导体

P型半导体

BJT的设计中,通常会在发射区E进行N型高掺杂,以便从发射区注入基区的电子在基区B形成相当高的电子浓度梯度。基区B很薄,使这些电子只有很少部分与空穴复合形成基极电流集电区C则进行N型低掺杂,以便基区高浓度电子扩散至集电区形成集电极电流

三极管内部载流子分布

 

这样设计有啥好处呢?

 

别急,让我们来看看BJT在电路中的应用吧!

工作原理

 
 
 

发射结(BE)加上正偏电压,发射区的一小部分自由电子与基区的空穴复合形成基极电流。当集电结(CE)反偏,且集电极电压足够大,基区电子几乎都进入集电区,形成集电极电流。此时集电极电压再增加,集电极电流不会增加。

 

所以,BJT主要是电流控制型的开关器件

三极管工作模式

“MAMA”
 
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MOSFET
 
 

MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor),时至今日,大至功率变换器,小至内存、CPU等各类电子设备核心元件,无一不用到MOSFET。

在NPN型BJT的基础上,如果一个N连着一个P,内部的电子受力动态平衡后会有一个耗尽层,电路不通。

 

NPN型三极管内部耗尽层

在这个基础上,如果在NPN中的P型区域上方形成一层MOS(Metal Oxide Silicon)结构,俗称金属氧化物半导体。

MOSFET结构图

那么,通过对MOS结构施加VGS的电压,可以使P型区域的表面发生反型层(Inversion Layer),反型层相当于N型掺杂区域,把左右两端的N+区联通起来,打通电路。

MOSFET反型层形成

 

所以,MOSFET本质上有着电压开关/放大的作用

现在更为常见的MOS器件可细分为VDMOS以及LDMOS,以VDMOS为例,它是纵向导电器件,同时正面有两个MOSFET结构合并而来,因此命名为垂直双扩散MOSFET器件

“I”
 
03
IGBT
 
 
 

终于要轮到主角登场了!

 

是啊,其实,IGBT就像是BJTMOSFET的孩子,将两者的优势和作用结合起来,我们功率器件界的“皇冠”就诞生啦!

IGBT绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate Bipolar Transistor),诞生于20世纪70年代,IGBT是一种复合器件,它既有MOSFET栅电压控制的特点,又有BJT电流能力强等特点。

IGBT的内部结构如上图所示,它的正面为MOSFET结构,背面结构由下而上构成PNP型BJT结构。与VDMOS结构比较相近,主要区别在于把VDMOS背面的N+区域变为了P+区域,正是这么一个变化造成了IGBT与VDMOS器件特性上的大变化。

IGBT工作原理

当在栅极上施加电压VGS直到MOSFET沟道反型开启,同时在集电极施加电压VCE后,BJT部分背面P区链接上方的N-以及MOSFST部分沟道反型区和N+区构成的PN结正向导通形成BJT的基级电流,从而触发PNP型BJT开启工作,整个IGBT开启正常导通工作。可以发现MOSFET工作产生的电流较小仅仅提供给了BJT作为基级电流,再通过BJT的电流放大能力,使IGBT的输出电流远大于MOSFET。

通过这样的结合,实现了电流放大,开关频次增加等多种效果,目前IGBT新能源汽车,工业控制,智能电网,以及光伏能源中具有广泛的应用,被誉为工业控制的“CPU”。

 

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2022/05/12 11:26

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