IGBT結(jié)構(gòu)詳解
IGBT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 N型IGBT的典型結(jié)構(gòu)
①N+Source region:源區(qū)、擴(kuò)散源區(qū)、發(fā)射區(qū)，與發(fā)射極相連，等效于VMOS的源極(參見(jiàn)圖2）、NPN管的發(fā)射極。
圖2 IGBT的等效電路
②P+Body region:擴(kuò)散型P阱(P型區(qū))，在N型單晶硅的襯底上擴(kuò)散生成。
③N-Drift region：N-基區(qū)、漂移區(qū)、基區(qū)、高阻N-區(qū)，等效于VMOS管的漏極、PNP管的基極。此區(qū)域決定了IGBT的飽和壓降和電壓等級(jí)，也是影響IGBT開(kāi)關(guān)速度的主要區(qū)域。
④N十Buffer layer:緩沖區(qū)、（高阻）外延層、N+緩沖層，其作用是降低N-漂移區(qū)的厚度，以減小飽和壓降和縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間。不是所有的IGBT芯片都有此區(qū)。
⑤P十Inj ecting layer：Drain injecting region、漏注人區(qū)、背發(fā)射區(qū)、P+背發(fā)射區(qū)、集電區(qū)、P十襯底，等效于PNP管的發(fā)射極。此區(qū)是IGBT的襯底，即底層。
④、⑤合在一起，也稱為集電區(qū)(Collector bulk region)。
①、②、③、④以單晶硅為基礎(chǔ)，用外延法生成，因此稱為外延層，也是IGBT的工作層。
③、④又稱為摻雜區(qū)，其厚度和摻雜程度決定了器件的電壓等級(jí)和飽和壓降。若要提高電壓等級(jí)，則需要這個(gè)區(qū)域厚一些，摻雜濃度低一些；若而要降低飽和降壓，而需要采取相反的措施，即摻雜區(qū)薄一些，摻雜濃度要高一些。
說(shuō)“IGBT是P-N-P-N 4層結(jié)構(gòu)的器件”，指的是①、②、③、⑤，不包含N+緩沖區(qū)。
J1、J2、J3表示的是PN結(jié)，又稱為空間電荷區(qū)，基本不含載流子，主要由不能移動(dòng)的空間電荷組成。因此又稱為“耗盡層”，意思是能夠移動(dòng)的載流子（電子或空穴）都被耗盡了。P型半導(dǎo)體側(cè)靠近PN結(jié)的區(qū)域的空間電荷是負(fù)離子，N型半導(dǎo)體側(cè)靠近PN結(jié)的區(qū)域的空間電荷是正離子。
IGBT與BJT均被稱為多子器件，這是因?yàn)槎叩膶?dǎo)電既有電子的遷移，又有空穴的注入。二者不同之處在于，BJT中電子的遷移需要以空穴注入為觸發(fā)條件，空穴的注入量控制著電子遷移量，故BJT的導(dǎo)電需要維持空穴的注人，需要比較大的驅(qū)動(dòng)功率；IGBT中電子的遷移與空穴的注入是依靠電場(chǎng)來(lái)維持的，二者是同時(shí)而且是相向而行的，故IGBT的驅(qū)動(dòng)僅需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓而已（以維持電場(chǎng)的存在）。
VMOS則被稱為少子器件，因?yàn)樗膶?dǎo)電僅依靠電子的遷移。
三者的導(dǎo)電原理可以用圖3來(lái)形象地說(shuō)明。由于中止空穴的注入需要能量與時(shí)間，所以BJT與IGBT的開(kāi)關(guān)速度均沒(méi)有VMOS快。
圖3 三種晶體管的導(dǎo)電原理
BJT中的電子遷移與空穴注入的方向相同，只有中止空穴的注入才能中止電子的遷移，既需要能量又需要時(shí)間，因此在大電流工作狀態(tài)下，速度明顯沒(méi)有IGBT快。
IGBT中電子遷移與空穴注入也可以理解為二者的中和，無(wú)論是電子的遷移路徑還是空穴的注入，路徑均比較短，單位時(shí)間內(nèi)的載流子（電子遷移與空穴注入的總和）通過(guò)量比較大，所以IGBT的電流規(guī)格能夠做得比較高。
