IGBT的结构及优化方案探讨

IGBT的栅极利用MOS电容引起的沟道反型及恢复，完成对IGBT导通和关断的控制。

下面首先讨论一下“金属-二氧化硅（SiO₂）-半导体”构成的MOS结构。这里仅讨论半导体层为P型硅的情况，因为多数电力场控器件中的MOS结构都是这样配合的（见图1-17）。

假设SiO₂层是一个理想的绝缘体，不允许金属和半导体之间有丝毫电荷传输，那么显然这是一个以SiO₂薄膜为绝缘介质、以金属和半导体为极板的MOS电容器。在金属电极上施加不同偏置电压U，按照电容器的特点，我们可以看到如下现象：

图1-17 MOS电容器结构

1.负偏压下的积累区 U取负值，那么P型硅里带正电的多数载流子（空穴）就会被吸引到SiO₂-Si界面的硅一侧而富集起来，于是在紧贴SiO₂膜的硅表面出现一个空穴积累层。

2.正偏压下的耗尽层 U取正值，当U不够大时，P型硅的多数载流子（空穴）就会被推斥到远离SiO₂-Si界面，也就是说，在紧贴SiO₂膜的硅表面出现一个载流子缺乏的表面耗尽层。

3.强正偏压下的反型层 U取正值，P型硅里的少数载流子（电子）会被吸引到SiO₂-Si界面来；在达到某临界值时，表面薄层的电子浓度将等于体内空穴（多数载流子）的浓度。这种情况称为“反型”。这个临界电压值称为阈值电压。一旦U超过阈值电压，在紧贴SiO₂膜的硅表面会出现表面反型层，即N型层。反型层中的电荷在确定MOSFET的电流输运中，起到关键作用。

MOS电容器上偏压的变化，使硅表面的反型层出现或消失，就成为VDMOS和IGBT等器件开通或关断的基本机制。这个反型层又称之为“沟道”。为使沟道电阻尽量小，除了应设法缩短长度之外，MOS电容器上应施加大于阈值电压的正偏压，使之进入强反型层状态。(www.xing528.com)

图1-18 IGBT基本结构

IGBT的栅极是利用上面所述的MOS电容器的沟道反型及恢复控制原理的。它的基本结构如图1-18所示。从直观来看，它是一个栅极为MOS结构（即绝缘栅）的晶体管，所以叫它为绝缘栅双极型晶体管（IGBT名称的由来），因此有图1-19a的等效电路。

图1-19 IGBT等效电路和符号

a）等效电路一 b）等效电路二 c）电路符号

从另一方面看，它又寄生着一个同MOSFET并联、其基极又同PNP晶体管互补链接的NPN晶体管。这种连接方法恰恰是PNPN四层的晶闸管等效电路，从这个意义上讲，它又是绝缘栅晶闸管（与普通晶闸管不同的是，它是从N基区引出栅极），因此有图1-19b的等效电路。图1-19c为常用IGBT的电路图形符号，箭头指向为导通电流正方向。