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AN4503应用笔记
AN4503
介绍了IGBT操作
应用说明
取代2000年9月版, AN4503-4.0
2002年AN4503-4.1月
市场上现有的功率半导体器件可以
分为三组即,
1)器件如二极管,导通和关断
该电路的动作;
2 ),如晶闸管和三端双向可控硅可以通过打开设备
门控制,但需要单独的电路来实现
将其关闭。
3)的那些装置,如双极晶体管,门极可关断
晶闸管(的GTO )和功率MOSFET可被接通
和关断的栅极信号。
设备的最后一组是优选的电力电子作为
他们简化了电路,但他们都有各自的优点和
缺点。例如的GTO是在高电压可用
和高的电流额定值,但限制在较低的频率(以下
比几kHz ) ,并且需要高功率门控。双极
结晶体管(BJT )提供了更简单的驱动比的GTO ,但
它们被限制在较低的电压( <1500V ),而MOSFET的
提供高速运转( 100kHz的典型值) ,而且非常容易
来驱动,但仅限于较低的电压和电流。
在过去的十年新的功率器件的小组,
结合了双极和MOSFET技术成为商用
可行的。 MOS控制双极器件诸如IGBT (绝缘
栅双极型晶体管)和MCT的( MOS控制晶闸管)
属于这个组。这些类型的设备提供最佳的
双极和MOSFET器件的功能。本说明的目的
是给介绍的IGBT ,概述了器件结构,
的操作中,收视模式和特征,以便该设备
可以由电源电路设计者优化使用。
可以生长,因此这种类型的结构是不限于电压
超过1200V以下。
该条约结构由开头的均匀掺杂的制造
(正)的硅晶片。的发射极和MOSFET由形成
扩散在晶片的顶侧和p +集是
通过在晶片的另一侧的注入法形成。
与NPT结构它是目前能够实现前进
阻断电压高达4.5KV 。静态和动态
在PT和NPT IGBT的特性是不同的,并
这些将在后面讨论。
发射极和集电极之间的击穿电压
的特征在于所述的未封端的反向击穿
集电极到基极结(N + PT中的结构和正处于不扩散核武器条约
结构)。这具有10V的典型值。在许多应用中
一个反并联二极管一起使用的IGBT开关,所以它具有
承受这个二极管中只有正向压降
反向击穿模式。然而,短暂的正向电压
降的二极管可以比稳态显著更高
值,这是可能的,该结点被瞬时分解
由二极管的瞬态正向电压。这有没有严重
不利的影响,只要持续时间短并且
所得的瞬时功率的幅度是在装置内
雪崩额定功率。
2.设备操作
在正常操作模式中,集电器是用正
相对于发射器和如果门是处于零电位相对于
到发射器,无主电流从集电极流向发射极
(除了阻断电流)。当栅极电势是由
相对于发射极的正时,电子在p吸引
栅极氧化物下方区域,并最终反转极性
的p型与n型。这种逆温层,因此提供了一个正
从对正层的n +层的通道。电子被注入
从n +发射极接触到n-区从而降低
这个区域的电势和正向偏置的p + n-结
从集电极侧。因此,空穴从注入
集电极到正层(图2) 。
1. IGBT结构
目前市场上所有的IGBT有一张穿通结构
( PT )和非穿通型结构( NPT ) 。
图1示出通过的一个垂直剖面
PT和NPT IGBT的结构元素。在实践中
IGBT芯片组成的并联连接的多个这样的元件。
不扩散核武器条约的结构是最基本的一个用于IGBT 。它由
的n + pn结的p +的一个4层的三明治,非常类似于晶闸管
结构以外的栅极由多晶硅层,该层的
由上生长的顶表面的氧化物层分开
硅晶片。多晶硅层被布置成使得它
重叠在n +和n-区。在上面,在发射极接触
由铝重叠的n +和p区制成。上
另一侧的晶片的集电极接触被由
在p +区铝接触。
过量的空穴和电子在n-区降低了
电阻率这一地区。这被称为电导调制
这降低了器件的导通状态电阻。这是
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AN4503应用笔记
栅多晶硅
氧化
辐射源
Al
n+
n+
p-基
p-基
P +阱
正基
P +阱
ε
耗尽层
P +基地
x
Al
集热器
NPT结构
栅多晶硅
氧化
辐射源
Al
n+
n+
p-基
p-基
P +阱
正基
的n +缓冲层
P +基地
P +阱
ε
耗尽层
x
Al
集热器
PT结构
图1的IGBT的结构
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在两个结构之间的主要区别是缺乏的n +
缓冲层中的NPT结构。那些谁是熟悉
功率MOSFET将认识到,在PT IGBT结构是
类似于功率MOSFET的结构,只是一个附加的p +
层已被添加到MOSFET的漏极侧。当
阻断电压是在集电极和发射极之间施加
大多数这是由n-区的支持。
在PT-结构,耗尽区的扩展的情况下
冲破结下来之前, n +层拳
发生。之一的第n +缓冲层的功能是给引脚
走在耗尽区的扩展,以n +层。从而
在PT IGBT的主阻挡结具有古典销
二极管结构。在p - i-n结构具有较薄的厚度正
同的pn结构相同的阻断电压相比
能力,这有助于改善动态特性
的PT IGBT 。
在NPT-结构,电阻率和正的厚度
被选择为使得,当层的交界处发生故障时,该
宽度的耗尽区不通过达到与P +
集电极层。因此,在不扩散核武器条约的主要路口阻断
IGBT具有pn结二极管的结构。相关的电场
与这些结构也示于图1 。
在PT的IGBT由生长在n +制作,然后将正
在p +衬底上的外延层。的发射极和MOSFET
通过双扩散形成。正向阻断电压为
n - 基极宽度的函数,并且在n-外延层的电阻率。
存在该外延层的厚度的实际限制而
为什么一个类似电压设计, IGBT具有更低的导通状态
电阻比功率MOSFET不表现
电导调制。在PT结构中,注入的空穴
从p +集必须在n +缓冲层跨越到
到达正基地。一些这些孔都将丢失在缓冲层
由于重组过程,因此在注射
在p +的效率降低。这对有显着影响
IGBT的动态特性。
3. IGBT等效电路
图。图3a和3b示出了IGBT的等效电路
表示其内部结构。
当IGBT之前提到的具有4层(的pnpn ) thyristor-
状结构,其可以由PNP和NPN表示
晶体管和因为中间n-区是共用的,
各晶体管的基极有效地连接到所述集电体
的另一个。
功率MOSFET ,然后穿过底座和连接
集电极的PNP晶体管。 RMOD表示正基地
电阻,这是大量调制。 RB是横向
发射极对基极扩散的阻力。
如果PNP型的环路增益和NPN晶体管的组合是
大于1 ,则
IGBT将锁存和行为像门的损失晶闸管
控制权。这样的情况可能是破坏性的设备和
各种设计特征被包括在IGBT设计
防止它,如:
i)
由扩散的p +阱最小化RB的值。
氧化
多晶硅
的n +缓冲层的ⅱ)夹杂物如在PT结构,其
允许PNP晶体管的增益进行控制。
所述PNP晶体管的由电子增益ⅲ)控制
照射。
NPN晶体管由此禁止和自RB是由
无关紧要,可以忽略在这两个组件
改性的等效电路,如图所示。 3C 。决赛
一个PNP晶体管和一个N沟道功率的组合
MOSFET的行为就像一个NPN晶体管的电压驱动
基地:故名为IGBT的电路符号。
辐射源
++
n+
N沟道
p-
- -
++
- -
n+
Al
p-
p+
n-
-
p+
+
+
-
p+
Al
集热器
+
-
电子
图2导通的过程中的IGBT
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C
C
PNP
RMOD
R
B
NPN
G
MOSFET
NPN
RMOD
PNP
R
B
G
图3a等效电路
E
图3b等效电路
C
C
E
RMOD
PNP
G
G
R
B
E
E
图3c等效电路
图3d电路符号
图。 3 IGBT等效电路
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