第二届电力电子科普征文大赛-入围奖

沈阳工业大学 关艳霞

IGBT 的全称是：绝缘门极双极晶体管（Insulated Gate Bipolor Transistor）。顾名思义， 它是一个用绝缘门极控制的双极晶体管。从功能上来说，它是一个如图 1 所示开关。它能够用门极（G）控制集电极（C）和发射极（E）之间电流的开和关。C、E 是双极晶体管的两个电极，而 G 是 MOSFET 的控制极。双极晶体管和 MOSFET 都是重要的开关器件，为什么要将二者结合在一起构成一个新器件 IGBT 呢？IGBT 又是如何将二者结合在一起的呢？ 最后是一个功利性的问题：好处是什么？在回答这些问题之前，我们先来了解一下双极晶体管（BJT）和 MOSFET。

图 1 IGBT 的开关功能

1、BJT“优”与“劣”

1947 年 12 月，美国贝尔实验室三位物理学家 Bradeen（巴丁）、Brattain（布拉顿）和Shockley（肖克莱）公布了一项重要发明——双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）,简称双极晶体管。BJT 不仅是集成电路芯片的基本构件，还是重要的功率开关器件。作为功率开关的双极晶体管结构示意图如图 2 所示，包含两个 PN 结，发射结 Je 和集电结 Jc。众人皆知它的放大功能，岂不知，在功率领域，它的功能主要是开关，从时间顺序和“基因”   传承上看，BJT 应该是 IGBT 的“父辈”，现在我们来看这位“父辈”是如何实现开关的吧。

图 2 BJT 结构示意图

图 3 BJT 开关电路

BJT 的开关电路如图 3 所示，es+EB 构成输入端电压 vBE，其中 es 为脉冲电压，其幅值远大于直流偏置电压 EB。BJT 处于“关”还是“开”取决于 es、EB 和 EC 使发射结 Je 和集电结 Jc 处于什么样的偏置状态。

为什么发射结 Je 和集电结 Jc 的偏置状态决定着 BJT 的工作状态呢？因为 PN 结有两大功能——“泵”功能和“垒”功能，而且这个“泵”是“双标泵”。当 PN 结为正偏时，PN 结呈现的是多子注入“泵”，P 区向 N 区注入空穴，N 区向 P 区注入电子，呈导通状态。当 PN 结为反偏时，PN 结就呈现“垒”的功能，阻止电流，承担电压。这个“垒”有点儿小缺陷，那就是有漏电流，这个漏电流恰恰是反偏 PN 结的另一个“泵”功能——抽取少子功能，反偏 PN 结能抽取两侧的少子，形成反向漏电流。

图 4 超量储存电荷的形成构成

当两个 PN 结构成 BJT 时，能否传导电流取决于发射结 Je 能不能发射电流和反偏集电结 Jc 能不能收集到所发射的电流。所以，当 es 不出现时，Je 结反偏，Jc 结反偏，由图 3 可知，它们的偏置电压分别为-EB 和-(EB+EC)。BJT 呈“关”态，阻断电流，承担电压。

当发射结 Je 正偏时，BJT 就一定能呈“开”态吗？是否呈“开”态要看 Jc 结的状态，如果Jc 结是反偏状态，那么 BJT 虽然能传导电流，但呈放大状态（高电压、大电流）。只有当 Jc 呈正偏状态时，BJT 才呈“开”态，即饱和状态。那么，怎样才能使 Jc 呈正偏状态呢？下面我们就来看如果 es（见图 3）足够大会发生什么吧。es 的出现启动了 Je 结“泵”的注入功能， 将发射区的电子注入基区（为了区别，称之为正注入），形成图 4 中的基区载流子分布①， 它如同滑梯一样将发射区注入的电子运送到集电结 Jc，被 Jc 收集，形成集电极电流。同时， 基区也向发射区反注入空穴，由于基区的掺杂浓度远小于发射区的掺杂浓度，所以反注入电流远小于正注入电流。反注入的空穴流是基极电流的主要成分，于是基极电流就像一个“惹事精”。当基极电流随着 es 的出现而现身时，惹出更多的发射区载流子注入，通过“滑梯”输运到集电结 Jc，被其收集形成集电极电流。随着集电极电流的增加，Jc 结的反偏电压下降（见图 3 所示的开关电路），这意味着 Jc 的收集能力降低了，于是出现了“供大于求”产生超量储存电荷，如图 4 下方的的 Qbx 和集电区的 Qcx，它们具有中和 Jc 空间电荷区电荷的能力，使其宽度变窄，当变到比 0 偏时的空间电荷区宽度还窄时，Jc 结就变成正偏了，于是BJT 就工作在“开”态，也就是饱和状态了。

一句话做总结：BJT 依靠过驱动积累超量储存电荷实现“开”，由“关”到“开”的过程对应着电荷积累的过程。

下面我们来看 es 撤出时又会发生什么吧。如图 5 所示，当 es 撤出时，iB 为负值，此时它起着抽取储存电荷的作用，在与电荷复合的共同作用下，储存电荷消失，Je 和 Jc 的空间电荷区被 EB 和 EC 拉宽，BJT 在 PN 结“垒”的作用下实现“关”态，即截至状态。

一句话总结：BJT 通过负基极电流对“开”态储存电荷抽取实现“关”，由“开”到“关”的过程对应电荷消失的过程。

图 5 BJT 的关断过程

BJT“优”与“劣”的分析：

优：1）“开”态时的大量储存电荷能使得开态时低压降，使 BJT 既能承担高耐压，又能传导大电流，体现了它敢挑重担的担当；2）BJT 是全控型开关（“开”与“关”是可控的）。

劣：1）“开”态需要过驱动实现，这意味着控制功率过大；2）开关过程对应电荷的储  存和消失，开关时间长。

控制功率大，开关时间长，怎么办？恰好有另一种器件诞生了，那就是 MOSFET。

2、MOSFET 的“优”与“劣”

1960 年，贝尔实验室的 Kahng 和 Atalla 首先提出并用热氧化硅结构制成了世界上第一个 MOSFET，1970s 功率 MOSFET 被开发。第一只商用功率 MOSFET 为 DMOSFET， 如图 6 所示。从图 6 可知，功率 MOSFET=平面 MOSFET+RV，RV，电流垂直流动区域的电阻。平面 MOSFET 的漏极（D，N-漂移区表面在正栅压下所形成的多子积累层作为平面MOSFET 的漏极）和源极（S）之间隔着的门是一个“垒”（横向寄生 npn 晶体管 P 基区的能级高于 n 发射区（S）和 n 集电区（D）能级），通过栅极电压（VGS）降低 MOS 结构半导体表面的势垒，形成反型层——导电沟道，打开 S 与 D 之间的电流传输之门，源区电子经沟道流向平面 MOSFET 的漏极（D），然后垂直流向底部漏极（D），如图 6 所示的红色箭头。平面 MOSFET 的漏极（D）到底部漏极（D）之间的电流路程中没有 PN 结， 因此就没有因 PN 结注入所产生的超量储存电荷，因此该区域体现出不受栅电压 VGS 控制的电阻特性，用 RV 表示。

图 6 DMOSFET 结构示意图

MOSFET“优”与“劣”的分析：

优势：1）高输入阻抗，所以控制功率小；2）电流流通的路径上没有 PN 结所引起的电荷储存，所以开关速度快。

劣势：没有电荷储存，导通电阻大，电流导通能力与高耐压不能并存。

能不能研发一种器件将 BJT 的大功率和 MOSFET 的高输入阻抗结合起来，实现优势整合？于是 IGBT 登场了。

3、IGBT 是 BJT 和 MOSFET 的优势集合体

如何将 BJT 和 MOSFET 集成在一起，形成一个新的开关器件，以实现二者的优势整合呢？下面我们就看图 7 所示的 IGBT。

通过将 DMOSFET 的 N+漏区换成 P+区，DMOSFET 摇身一变成为了万众瞩目的 IGBT。通过 P+区的引入，分别将 PNP 双极晶体管和 PiN 二极管引入到 DOMSFET 中来，它们将与平面 MOSFET 一起完成“开关”大业。当栅电压（VGS）打开平面 MOSFET 的开通大门时， N+区的电子经沟道流入 N-漂移区（如图 7a 中的绿色箭头），电子的流入使得 J1 结更加正偏， 引起 P+阳极区（PNP 晶体管的发射区）空穴的注入（如图 7a 中的红色箭头）。与 DMOSFET 不同，IGBT 的电流流通路径包含 PN 结(J1 结）。当平面 MOSFET 处于非饱和状态（沟道没有因为压降而导致夹断），J2 结是被短路的，IGBT 的等效电路为平面 MOSFET 与 PiN 二极管的串联，如图 7b 所示，J1 结注入的空穴几乎全部被 MOSFET 提供的电子所中和，IGBT 处于导通状态。随着 VCE 的增加，电流随之增加，平面 MOSFET 导电沟道上的压降增加， 直到沟道夹断，J2 结开始反偏。此时的工作状态相当于平面 MOSFET 的漏极电流作为 PNP 晶体管的基极电流，PNP 晶体管的集电极电流相当于平面 MOSFET 漏极电流的β（PNP 居

然敢共射极电流放大系数）倍。IGBT 相当于 MOSFET 作为输入级，BJT 作为输出极的达林顿结构，IGBT 的发射极（E）电流既包含 PNP 晶体管集电极电流，又包含 MOSFET 的漏极电流，其等效电路如图 7c 所示。

（a）IGBT 结构示意图

（b）通态等效电路

（c）饱和等效电路图 7 IGBT 的结构与等效电路

与功率 MOSFET 相比，将功率 MOSFET 的 N+区换成了 P+区，使得电流流通路径上多了“注入泵”，于是有了电荷储存，引入了电导调制效应，电流传导能力得到大幅度提高。

与 BJT 相比，由于 IGBT 为 MOSFET+PNP 晶体管的达林顿模式，因此无论在输入特性、输出特性和开关特性上都全面碾压 BJT。

IGBT 将平面 MOSFET 与 BJT 有机结合成一体，实现了小控制功率和大输出功率完美结合。

作者简介：

关艳霞，女，博士，副教授。2006 年 3 月博士毕业于东北大学，获工学博士学位。自1989 年 8 月至 2023 年 3 月在沈阳工业大学信息科学与工程学院从事教学和科研工作。在职和退休情况简介如下：

1、在职情况简介：

在职期间承担本科课程：微电子器件原理，功率半导体器件；研究生课程：半导体器件物理，   新型功率半导体器件。辽宁省精品资源共享课《固体电子器件》的课程负责人；辽宁省一流课程《微电子器件原理》课程负责人；辽宁省一流课程《功率半导体器件》课程负责人。

主持国家自然科学基金子课题项目 3 项。主持辽宁省教育厅科学研究项目 1 项。发表论文 30 余篇，其中 SCI 检索 4 篇。

译作：《先进功率整流器原理、特性及应用》（美，B.J.Baliga, Advaced Power Rectifier Concepts）（第一译者）。

2、退休情况简介：

著作：《功率半导体器件》（第一作者，机械工业出版社，2023.5），2024.9 第 2 次印刷，书中配有讲课视频。

继续在 bilibili 上课，发布课程两门：《功率半导体器件》和《微电子器件》，投稿 225

个，其中视频 206 个，文稿 19 篇。（光彩为霞个人空间链接：https://space.bilibili.com/517857771）