絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為電力電子變換器中的一種重要電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)持續(xù)增長了若干年，這是因?yàn)樗闺娏﹄娮幼儞Q裝置和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更高的效率，也實(shí)現(xiàn)了小型化的設(shè)計。這就意味著IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到很寬的范圍，不僅在工業(yè)中，而且在許多其他功率變換系統(tǒng)中，它已經(jīng)取代了功率雙極型晶體管（BJT）、功率MOSFET，在高壓大容量電力電子變換器中，出現(xiàn)了與IGCT和晶閘管共同占有全控電力半導(dǎo)體器件的局面。
IGBT是典型的單極型和雙極型混合型器件，其中哪一部分占有主導(dǎo)地位，在不同的時期和不同的器件中有不同的認(rèn)識。根據(jù)對IGBT的不同認(rèn)知程度，其自從發(fā)明以來有很多的命名，比如絕緣柵晶體管（IGT）和電導(dǎo)率調(diào)制場效應(yīng)晶體管（COMFET），至20世紀(jì)80年代后期，IGBT的命名方式才被大家所共同認(rèn)可。一般認(rèn)為，IGBT是MOS柵結(jié)構(gòu)與雙極型晶體管相結(jié)合進(jìn)化而成的混合型電力半導(dǎo)體器件。所以，IGBT的使用具備了雙極晶體管和功率MOSFET的雙重特點(diǎn)，從而形成了具有更好的折中特性（通態(tài)壓降和開關(guān)時間之間）、較低的總損耗（導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗等損耗之和）和更穩(wěn)定的開關(guān)安全工作區(qū)（SOA）。于是，IGBT成功地?fù)碛薪^緣柵良好控制能力及通態(tài)電導(dǎo)調(diào)制的綜合優(yōu)點(diǎn)。
IGBT在20世紀(jì)80年代初投放市場，當(dāng)時存在器件溫度特性差而使并聯(lián)運(yùn)行特性差、體內(nèi)載流子積累較多而使關(guān)斷特性差、體內(nèi)寄生晶閘管的擎住效應(yīng)使器件運(yùn)行區(qū)域受限制等，隨著這些問題逐漸被解決，IGBT才開始得到廣泛的應(yīng)用，其作為混合型器件的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得越來越明顯。
IGBT可以認(rèn)為是從VDMOSFET演化而來的，對比VDMOSFET和最初的IGBT概念提出時的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。不難看出，這兩種器件的上半部分基本上是完全相同的，只是在下半部分有明顯差別：IGBT比VDMOSFET多了一個P+層，從而多了一個大面積的PN結(jié)。其基本出發(fā)點(diǎn)是，提出了在VDMOSFET結(jié)構(gòu)中引入一個漏極側(cè)PN結(jié)，以提供正向注入少數(shù)載流子來實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而降低通態(tài)壓降的基本方案。
圖1 VDMOSFET與IGBT結(jié)構(gòu)對比
IGBT的各個端子命名存在一些有趣的事情，也反映了人們是如何看待這個混合型器件的。在圖1b所示的IGBT基本結(jié)構(gòu)中，上半部分仍與VDMOSFET的柵極結(jié)構(gòu)相同，所以引出的控制端子沿用了MOSFET的命名，叫做柵極（實(shí)際上在英文中，單極型器件用的柵極和GTO等雙極型器件用的門極都是Gate）。而與MOS結(jié)構(gòu)中的N+層相連接的叫做發(fā)射極，與新增的P+層相連的叫做集電極。當(dāng)IGBT被引入時，它主要用來代替雙極型晶體管（BJT）。這就是為什么IGBT的圖形符號和雙極型晶體管的很像（見圖2），因此類比雙極型晶體管，IGBT的主端子被稱作發(fā)射極和集電極。從下面的等效電路分析可知，這里存在一個有趣的“偏差”。也有將IGBT完全看作加入雙極型器件特性而改良的MOSFET，延用源極和漏極的命名；還有使用更中性的名稱，如陽極和陰極來分別替代集電極和發(fā)射極。在這里的分析中，使用被普遍認(rèn)可的柵極、集電極和發(fā)射極的命名方式。如果僅看IGBT的基本結(jié)構(gòu)，從集電極到發(fā)射極存在三條不同的電流通路，如圖3所示。
具體羅列如下：
1）從集電極出發(fā)，經(jīng)過P+層、N+N-層和P層到達(dá)發(fā)射極的雙極型晶體管通路，即PNP晶體管通路；
2）從集電極出發(fā)，經(jīng)過P+層、N+N-層和MOS柵結(jié)構(gòu)的N溝道到達(dá)發(fā)射極的MOSFET通路，即二極管串接N溝道MOSFET通路；
3）從集電極出發(fā)，經(jīng)過P+層、N+N-層和MOS柵結(jié)構(gòu)中的P層和N層到達(dá)發(fā)射極的晶閘管通路，即寄生晶閘管通路。
顯然，這三個通路可以看成為并聯(lián)關(guān)系，如圖4a所示經(jīng)過整合，IGBT的等效器件電路構(gòu)成如圖4b所示。其中，寄生的晶閘管看成為MOS柵結(jié)構(gòu)中的寄生NPN晶體管與第一種通路的PNP晶體管兩個聯(lián)合構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中，要防止寄生晶閘管的發(fā)生晶閘效應(yīng)造成器件失控和損壞，即要抑制NPN晶體管的作用，圖中使用虛線表示所不期望的NPN晶體管。不考慮虛線部分，此時可以將IGBT看成由N溝道MOSFET與PNP晶體管構(gòu)成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，即MOSFET的漏極與PNP晶體管的基極相連。
圖4 IGBT等效電路
此時再將圖2中的端子命名和圖4中的等效電路進(jìn)行對比，就更發(fā)現(xiàn)了IGBT端子的命名的有趣之處。在等效電路中，作為IGBT主要功能核心的等效晶體管是PNP型的，PNP晶體管的發(fā)射極連接到IGBT外面時叫做IGBT的集電極，PNP晶體管的集電極連接到IGBT外面時叫做IGBT的發(fā)射極；從圖2中的圖形符號對比看，將此IGBT等效為NPN晶體管（IGBT被設(shè)計用來代替NPN功率晶體管），但實(shí)際上，IGBT內(nèi)的主要等效晶體管是PNP型的，所示IGBT的科學(xué)而正確的端子命名曾經(jīng)使很多人困惑。
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