igbt内部结构 过热和过流的区别

2020-06-06 科技 51阅读

1. IGBT在结构

IGBT在结构上类似于MOSFET,其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板(漏极)上增加了一个 P+基板(IGBT 的集电极),形成PN 结 J1,并由此引出漏极,栅极和源极则完全与MOSFET相似。如下图所示。


2. IGBT结构原理介绍

正是由于 IGBT 是在 N 沟道MOSFET 的N+基板上加一层P+基板,形成了四层结构,由N+基板上加一层P+基板,形成了四层结构,由PNP-NPN晶体管构成 IGBT。但是,NPN晶体管和发射极由于铝电极短路,设计时尽可能使NPN 晶体管不起作用。所以说,IGBT 的基本工作与NPN 晶体管无关,可以认为是将 N 沟道MOSFET作为输入极,PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。

N+区称为源区,附于其上的电极称为源极。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源极之间的 P 型区(包括 P+和 P−区,沟道在该区域形成)称为亚沟道区(Subchannel Region)。而在漏区另一侧的 P+区称为漏注入区(Drain Injector),它是 IGBT 特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成 PNP 双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。为了兼顾长期以来人们的习惯,IEC 规定:源极引出的电极端子(含电极端)称为发射极端(子),漏极引出的电极端(子)称为集电极端(子),栅极引出的电极端(子)称为栅极端(子)。

IGBT 在一个正向的驱动电压作用下时,一块 P 导通型的硅材料会形成一个导电沟道。这时,导电的载流子为电子(多子)。在驱动电压消失后,该器件处于截止状态(自截止)。IGBT 在大多数情况下采用垂直式结构,栅极和发射极均位于芯片上表面,而芯片底面则构成了集电极。负载电流在沟道之外垂直通过芯片。IGBT 具有平面式栅极结构,也就是说,在导通状态下导电沟道是横向的(水平的)。

平面栅极(在现代高密度晶体管中发展为双重扩散栅极)仍是目前 IGBT 中占统治地位的栅极结构。平面式 IGBT结构是从微电子技术移植而来的,其集电极由 P+阱区构成,位于芯片表面。负载电流水平地流经芯片。借助于一个氧化层,N区可以与衬底相互隔离,从而有可能将多个相互绝缘的 IGBT与其他器件一起集成于一个芯片上。

由于平面式晶体管的电流密度仅能达到垂直式结构的30%,因而明显地需要更大的安装面积,所以,平面式晶体管主要用在复杂的单芯片电路中。从构造上来看,IGBT 由众多的硅微单元组成。每25px2芯片上的单元数可达 1 × 10^5(高耐压 IGBT)。


3. IGBT过热和过流的区别

半导体器件承受电流的能力受热约束或者增益(跨导)的限制,当电流超过热能力后,IGBT 的跨导达到最大值。而在芯片面积相同的双极型晶体管中,当电流在工作范围以内时,双极型晶体管的增益将大大降低。IGBT与功率MOSFET 一样是无“增益限制”的。

当电流非常大时,IGBT 的跨导减小,如在短路状态下,随着温度升高,跨导进一步减小,这样可保护 IGBT。当栅极电压为 15V 时,在短路状态下,IR 公司标准 IGBT的电流密度可达 10~20A/mm2。如此高的跨导使IGBT具有非常好的开关特性和导通特性。

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