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在微电子行业混久了的人，很少有不知道IGBT的。
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IGBT的英文全称和基础概念对于微电子技术猿来说，想必已经耳熟能详。; m; h- E% _. {; n
) a9 ]- Y6 y7 V然而对于工作需要用到IGBT、但从未专业学习过IGBT的人来说，IGBT到底是个什么玩意儿、它为什么叫IGBT、它的核心关键词是什么、要怎么理解它等一系列问题并无法一次性在某个地方获取到，都需要查阅大量的资料，学习大量的基础才能有个初步的了解。0 {5 \9 F6 [6 O7 \' x; Y X
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为了让更多的人在更少的时间内掌握IGBT，我将在这个公众号内下不定时更新自己所总结的知识，尽量尝试用最通俗易懂的语言解释其内部的原理，希望能够帮助和我刚工作时一样，对IGBT一头雾水的小可爱们。2 ^# N# p1 T" I
" G, z+ F9 z% o/ C. S+ t* V对于纯小白来说，了解一件东西最好的方式就是从名称入手，抽丝剥茧，逐步了解。所以我们先从IGBT的全称说起：绝缘栅双极性晶体管，英文全称为Insulated GateBipolar Transistor。
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主语是晶体管，修饰词（性质）有三个，分别是绝缘、栅、双极性。
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7 q: S3 t/ y% Y4 I晶体管是一种固体半导体器件，在这里可以理解为一种利用电信号（电流/电压）控制开关断的开关器件，不同于机械开关，它的开关速度非常快。
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4 i: u; H5 b- c( F; ~三个修饰词“绝缘、栅、双极性”的核心关键词在“栅极”和“双极性”上。1 G% J! k! U% m1 T% J4 H% O
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: c8 j' Z2 \2 p# [, {6 E7 y“栅极”意味着IGBT是个电压控制型器件，这是相比于电流型控制器件而言。
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0 K2 z8 k; N! k h8 v简单来说，电压型控制器件主要是通过控制端电压来控制器件的开通与关断，而电流型控制器件的开关断则主要被控制端电流的大小控制。; y$ j: l$ E* [- | F$ \
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电流控制型器件的共同特点是导通损耗小，所需驱动功率小，但是驱动电路复杂，工作频率较低，如晶闸管、GTR等。
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7 k/ d4 t! p4 }1 `8 [7 {8 E而电压控制型器件的共同特点在于输入阻抗高、所需驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高，如IGBT、MOSFET等。
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5 z- m3 M/ L% |. ^此外，压控器件在整体功耗方面也要低于流控器件。
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/ f& p2 @* r9 i! D3 p4 T因此，根据具体工况条件及应用要求，不同晶体管会被应用在不同领域中。$ w& R r8 X; `. p
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IGBT一般可应用于工业领域（变频器、UPS电源、EPS电源）、新能源发电领域（风能发电、太阳能发电）、新能源汽车领域（充电桩、电动控制、车载空调）等，由于篇幅有限，这里就不再赘述。4 {6 O" ~) v' ^# z
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“双极性”是相较于“单极性”而言。两者最主要的区别在于器件工作时，移动的电荷载流子是电子还是空穴，亦或是二者都有。( }! z1 s0 ]# A/ P
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若只有一种载流子参与导电，则称为单极性晶体管，如MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）、SBD（肖特基二极管）等。0 h' u, n& h+ O& y# X& J% b
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若电子和空穴都参与了导电，则称为双极性晶体管，如BJT（双极结型晶体管）、IGBT等。
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7 F; j5 z+ y9 Z: s两者相对比，双极性晶体管由于同时有电子和空穴参与导电，所以其关断速度相比单极性晶体管来说更慢。( R0 ^+ _" B v0 l5 I
& T7 @$ _+ P% {9 s" \$ x; T2 a: y具体原因我们以今天的主角IGBT为例，通过分析IGBT在关断过程中载流子的移动和分布来解释以上这点。
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当IGBT正常工作时，p-base表面会形成导通沟道，电子从发射极经n型漂移区流向集电极，而空穴将不断地从集电极注入到n型漂移区。此时IGBT的外部表现为：存在负载电流，IGBT处于导通状态。' W- p+ K* A. s& h4 d" v7 l% o
) k' _; X9 z& S* O4 Y由于该区域宽度较宽，部分空穴会在此处与电子进行复合，其余空穴则扩散至p-base/n漂移区结，最终由发射极收集。7 G' i& I; G3 u$ H
# F' ?. \( X' F/ d! m0 G# n熟悉了IGBT处于导通状态时内部载流子的运动，我们再来看关断过程，IGBT的关断过程可以视为两个阶段。
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% v1 A; @4 g; m* l) V在第一阶段中，由于沟道反型层消失，所以负载电流会快速下降。5 E9 r8 ], \5 B2 a% u: ~2 y5 _
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在第二阶段中，集电极-发射极电压VCE逐渐增加，IGBT漂移区逐渐耗尽，漂移区中的剩余空穴载流子漂移至J1结，最终由发射极抽取。% k& X5 I F. W# w
5 R* f% j; B" E" j( J当耗尽区不再扩展时，剩余空穴将通过与剩余电子复合消失，这个复合消失的过程就会造成IGBT的拖尾电流。, g* G4 E- y, `5 z6 [/ z0 [
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而单极性元器件由于只是一种载流子导电，并不存在拖尾电流，因此关断速度会更快。1 M) n5 \4 y+ `! p
/ @; |0 w8 [5 p此外，由于电子和空穴的复合过程所需时间长短与载流子本身寿命有关，所以IGBT器件的关断速度也受载流子寿命影响。( g* T: U% Y4 S/ E, t
7 n: j1 r b/ P- R以上就是从名称来了解IGBT器件的全部内容，希望能对刚刚接触到IGBT的小伙伴们有帮助。 i8 _- M' m$ C( I& R. Q: t
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发表于 2021-4-25 13:40
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