盡緣柵雙極電晶體
sistor，IGBT）。 圖1為IGBT的符號、內部結構等值電路及靜態特性。 圖1示出IGBT的輸出特性。
目錄隱躲
一、IGBT的工作原理二、IGBT的基本特性1、 靜態特性2、 動態特性3、 擎住效應三、IGBT的發展遠景
盡緣柵雙極電晶體（insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）綜合了電力電晶體（Giant Transistor—GTR）和電力場效應電晶體（Power MOSFET）的優點，具有良好的特性，套用領域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發射極。IGBT作為新型電力電子器件的典型代表，廣泛套用於智慧型電網、新能源發電、新能源汽車、產業變頻、機電一體化、家用電器等諸多領域，是關係國家能源、交通、產業、家電等國計民生的核心電子元器件。一、IGBT的工作原理
電力MOSFET器件是單極型（N溝道MOSFET中僅電子導電、P溝道MOSFET中僅空穴導電）、電壓控制型開關器件；因此其通、斷驅動控制功率很小，開關速度快；但通態降壓大，難於製成高壓大電流開關器件。電力三極電晶體是雙極型（其中，電子、空穴兩種多數載流子都參與導電）、電流控制型開關器件；因此其通-斷控制驅動功率大，開關速度不夠快；但通態壓降低，可製成較高電壓和較大電流的開關器件。為了兼有這兩種器件的優點，棄其缺點，20世紀80年代中期出現了將它們的通、斷機制相結合的新一代半導體電力開關器件——盡緣柵極雙極型電晶體（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。它是一種複合器件，其輸進控制部分為MOSFET，輸出級為雙級結型三極電晶體；因此兼有MOSFET和電力電晶體的優點，即高輸進阻抗，電壓控制，驅動功率小，開關速度快，工作頻率可達到10~40kHz（比電力三極體高），飽和壓降低（比MOSFET 小得多，與電力三極體相當），電壓、電流容量較大，安全工作區域寬。目前2500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有產品，可供幾千kVA以下的高頻電力電子裝置選用。圖1為IGBT的符號、內部結構等值電路及靜態特性。IGBT也有3個電極：柵極G、發射極E和集電極C。輸進部分是一個MOSFET管，圖1中Rdr表示MOSFET的等效調製電阻（即漏極-源極之間的等效電阻RDS）。輸出部分為一個PNP三極體T1，此外還有一個內部寄生的三極體T2（NPN管），在NPN電晶體T2的基極與發射極之間有一個體區電阻rbr。當柵極G與發射極E之間的外加電壓UGE=0時，MOSFET管內無導電溝道，其調製電阻Rdr可視為無窮大，Ic=0，MOSFET處於斷態。在柵極G與發射極E之間的外加控制電壓UGE，可以改變MOSFET管導電溝道的寬度，從而改變調製電阻Rdr，這就改變了輸出電晶體T1（PNP管）的基極電流，控制了IGBT管的集電極電流Ic。當UGE足夠大時（例如15V），則T1飽和導電，IGBT進進通態。一旦撤除UGE，即UGE=0，則MOSFET從通態轉進斷態，T1截止，IGBT器件從通態轉進斷態。二、IGBT的基本特性
1、 靜態特性
（1） 輸出特性：是UGE一定時集電極電流Ic與集電極-發射極電壓UCE的函式關係，即Ic=f（UCE）。圖1示出IGBT的輸出特性。UGE=0的曲線對應於IGBT處於斷態。線上性導電區I，UCE增大，Ic增大。在恆流飽和區Ⅱ，對於一定的UGE，UCE增大，IC不再隨UCE而增大。{{分頁}} 在UCE為負值的反壓下，其特性曲線類似於三極體的反向阻斷特性。為了使IGBT安全運行，它承受的外加壓、反向電壓應小於圖1（c）中的正、反向折轉擊穿電壓。（2） 轉移特性：是圖1（d）所示的集電極電流Ic與柵極電壓UGE的函式關係，即Ic=f(UGE)。當UGE小於開啟閾值電壓UGE th時，等效MOSFET中不能形成導電溝道；因此IGBT處於斷態。當UGE>UGE th後，隨著UGE的增大，Ic明顯上升。實際運行中，外加電壓UGE的最大值UGEM一般不超過15V，以限制Ic 不超過IGBT管的答應值ICM。IGBT在額定電流時的通態壓降一般為1.5~3V。其通態壓降常在其電流較大（接近額定值）時具有正的溫度係數（Ic增大時，管壓降大）；因此在幾個IGBT並聯使用時IGBT器件具有電流自動調節均流的能力，這就使多個IGBT易於並聯使用。2、 動態特性
圖2示出了IGBT的開通和關斷過程。開通過程的特性類似於MOSFET；由於在這個區間，IGBT大部分時間作為MOSFET運行。開通時間由4個部分組成。開通延遲時間td是外施柵極脈衝從負到正跳變開始，到柵-射電壓充電到UGE th的時間。這以後集電極電流從0開始上升，到90%穩態值的時間為電流上升時間tri。在這兩個時間內，集-射極間電壓UCE基本不變。此後，UCE開始下降。下降時間tfu1是MOSFET工作時漏-源電壓下降時間tfu2是MOSFET和PNP電晶體同時工作時漏-源電壓下降時間；因此，IGBT開通時間為 ton=td+tr+tfu1+tfu2。開通過程中，在td、tr時間內，柵-射極間電容在外施正電壓作用下充電，且按指數規律上升，在tfu1、tfu2這一時間段內MOSFET開通，流過對GTR的驅動電流，柵-射極電壓基本維持IGBT完全導通後驅動過程結束。柵-射極電壓再次按指數規律上升到外施柵極電壓值。IGBT關斷時，在外施柵極反向電壓作用下，MOSFET輸進電容放電，內部PNP電晶體仍然導通，在最初階段里，關斷的延遲時間td和電壓UCE的上升時間tr，由IGBT中的MOSFET決定。關斷時IGBT和MOSFET的主要差別是電流波形分為tfi1和tfi2兩部分，其中，tfi1由MOSFET決定，對應於MOSFET的關斷過程；tfi2由PNP電晶體中存儲電荷所決定。由於在tfi1末尾MOSFET已關斷，IGBT又無反向電壓，體內的存儲電荷難以被迅速消除；所以漏極電流有較長的下降時間。由於此時漏源電壓已建立，過長的下降時間會產生較大的功耗，使結溫增高；所以希看下降時間越短越好。3、 擎住效應
由圖1(b)電路可以看到IGBT內部的寄生三極體T2與輸出三極體T1等效於一個晶閘管。內部體區電阻Rbr上的電壓降為一個正向偏壓加在寄生三極體T2的基極和發射極之間。當IGBT處於截止狀態和處於正常穩定通態時（ic不超過答應值時），Rbr上的壓降都很小，不足以產生T2的基極電流，T2不起作用。但假如ic瞬時過大，Rbr上壓降過大，則可能使T2導通，而一旦T2導通，即使撤除門極電壓UGE，IGBT仍然會像晶閘管一樣處於通態，使門極G失往控制作用，這種現象稱為擎住效應。在IGBT的設計製造時已儘可能地降低體區電阻Rbr，使IGBT的集電極電流在最大答應值ICM時，Rbr上的壓降仍小於T2管的起始導電所必須的正偏壓。但在實際工作中ic一旦過大，則可能出現擎住效應。假如外電路不能限制ic的增長，則可能損壞器件。{{分頁}} 除過大的ic可能產生擎住效應外，當IGBT處於截止狀態時，假如集電極電源電壓過高，使T1管漏電流過大，也可能在Rbr上產生過高的壓降，使T2導通而出現擎住效應。可能出現擎住效應的第三個情況是：在關斷過程中，MOSFET的關斷十分迅速，MOSFET關斷後圖1(b)中三極體T2的J2結反偏電壓UBA增大，MOSFET關斷得越快，集電極電流ic減小得越快，則UCA=Es-R三、IGBT的發展遠景
2010年，中國科學院微電子研究所成功研製國內首款可產業化IGBT晶片，由中國科學院微電子研究所設計研發的15-43A /1200V IGBT系列產品（採用Planar NPT器件結構）在華潤微電子工藝平台上流片成功，各項參數均達到設計要求，部分性能優於國外同類產品。這是我國國內首款自主研製可產業化的IGBT（盡緣柵雙極電晶體）產品，標誌著我國全國產化IGBT晶片產業化進程取得了重大突破，擁有了第一條專業的完整通過客戶產品設計驗證的IGBT工藝線。該科研成果主要面向家用電器套用領域，聯合江蘇矽萊克電子科技有限公司進行市場推廣，目前正由國內著名的家電企業用戶試用，微電子所和華潤微電子將聯合進一步推動國產自主IGBT產品的大批量生產
