绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
简述IGBT的主要特点和工作原理
简述IGBT的主要特点和工作原理一、简介IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种复合全控电压驱动功率半导体器件。
由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。
IGBT兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降的优点。
GTR 的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。
MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。
非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。
IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。
封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。
IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。
一般IGBT也指IGBT模块。
随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。
IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。
二、IGBT的结构下图显示了一种N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。
N+区称为源极区，其上的电极称为源极（即发射极E）。
N基区称为漏区。
器件的控制区为栅极区，其上的电极称为栅极（即栅极G）。
沟道形成在栅区的边界处。
C 极和E 极之间的P 型区域称为子通道区域。
漏极区另一侧的P+ 区称为漏极注入器。
它是IGBT独有的功能区，与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管。
它充当发射极，将空穴注入漏极，进行传导调制，并降低器件的通态电压。
《N沟道增强型绝缘栅双极晶体管》IGBT的开关作用是通过加正栅电压形成沟道，为PNP（原NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向栅压消除沟道，切断基极电流，就会关断IGBT。
igbt元件的工作原理和应用
IGBT元件的工作原理和应用1. 引言在现代电力电子技术中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种重要的元件，具有高电压、高电流和高开关速度等特点。
本文将介绍IGBT元件的工作原理和应用。
2. IGBT工作原理IGBT是一种由MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极型晶体管）组成的混合型元件。
其工作原理可以分为以下几个步骤：1.输入信号引发控制端电压：控制端的电压作用下，形成子结和耗尽区的条件。
2.条件形成轉移区：控制端电压作用下，在轉移区域存在大电容，电荷会在下一个周期传播到发射区，IGBT结束通导状态。
3.发射区的导通：一旦适当的控制电流和电压施加后，MOS管中的电子开始导通，激活BJT的发射层。
4.提供辅助电压以维持MOS的导通：一旦电子开始导通，就必须通过辅助电压维持MOS的导通，以防止MOS关闭。
综上所述，IGBT的工作原理是通过不断改变控制端电压，并在MOS和BJT之间建立通路来控制导通和截止。
3. IGBT的应用IGBT作为一种重要的电子元件，广泛应用于各个领域。
以下是几个常见的应用领域：3.1 电力传输和变换IGBT在电力传输和变换领域起着重要作用，主要应用于交流换流器、逆变器和直流调节器等设备中。
IGBT的高电压和高电流承受能力，使其能够在电力系统中进行高效的能量转换和传输。
3.2 光伏发电系统在光伏发电系统中，IGBT用于逆变器中，将光伏电池板产生的直流电转换为交流电，以供电网使用或直接驱动电动设备。
3.3 汽车电子系统IGBT在汽车电子系统中的应用越来越广泛，用于电动车的控制系统、混合动力汽车的驱动系统和燃油喷射系统等。
IGBT的高开关速度和高电压能力使其适用于汽车中的高频电子设备。
3.4 变频空调在变频空调中，IGBT用于控制压缩机的工作，以实现空调系统的制冷和加热功能。
IGBT的高效能转换和低能耗使其成为变频空调系统的关键组成部分。
3.5 高速列车在高速列车领域，IGBT被用作高压变流器，用于控制高速列车的起动、制动和稳定运行。
解析IGBT工作原理及作用
解析IGBT工作原理及作用一、IGBT是什幺 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
三大特点就是高压、大电流、高速。
二、IGBT模块 IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
IGBT的等效电路如图1所示。
由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，。
绝缘栅场效应管
绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（Insulated-GateField-EffectTransistor，IGFET）也称为绝缘介质场效应晶体管，是一种场效应晶体管，具有线性特征，它使用了加入了一个带有外部驱动器的可控场栅。
IGFET 包括金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），极化金属氧化物场效应晶体管（PMOSFET）和准分立双极型（JFET）场效应晶体管。
这些晶体管的操作或依赖较小的电场，作出反应，它们是基于场栅的控制，而不是电流。
它们有很多优点，例如有很小的电场驱动和能耗，以及宽的通行范围和高的集电极电压利用率，它们也有很小的磁耦合和抗漏电能力（EMI）影响。
绝缘栅场效应管的工作原理绝缘栅场效应管（IGFET）是由一个晶体管和一个控制电极组成的，它在工作时受到一种较小的外加电场的作用，由控制电极控制，从而控制了晶体管的电流通过。
它有三个端口，栅极（G），源极（S）和漏极（D）。
当隔离场介电层（它在栅极和晶体管的源极/漏极之间）被电场作用激活，电流就会从源极进入漏极，即由此产生管的当量电路效果，从而实现将外加的小电场控制的输入信号转换为输出电流的功能。
绝缘栅场效应管的应用绝缘栅场效应管（IGFET）在许多电子电路中都有广泛的应用，其中最常见的是开关模式，用于将输入信号转换为输出相应的开关状态。
它们还可用于模拟应用，例如控制放大器，滤波器和电源管理等。
在微处理器和其他综合电路中，它们用作开关和驱动器。
此外，绝缘栅场效应管还可以用于制作高功率放大器，电动机驱动器和电源控制器等。
绝缘栅场效应管的发展绝缘栅场效应管（IGFET）被发明于1960年，它有着可充电量子井层结构，更高效率，更低漏电流等诸多优点，使其在微电子领域取得了巨大成功。
随着技术的进步，新型绝缘栅器件不仅可以提高集电极电压利用率，而且可以在更高的温度和频率范围内工作，因此可以将这类器件应用于更多的工程领域。
未来，绝缘栅场效应管将成为集成电路中更可靠、抗漏电、节能的控制元件。
绝缘栅双极晶体管的工作原理
绝缘栅双极晶体管的工作原理
绝缘栅双极晶体管是一种三端半导体器件，也被称为IGBT。
IGBT 包含一个P型衬底，两个N型外延层和一个PNPN结构。
其中，N+型区
域和P+型区域用于接触电极，形成源极（S）、栅极（G）和漏极（D）。
IGBT的工作原理是在栅极与源极之间加上一个正向电压，即形成了一个正向偏压，在PN结和N导电层之间形成一个细窄的储存电荷区域。
当从源极施加正向电压时，由于P层和N+层之间的势垒，会产生
大量的少数载流子，这些载流子被P层电场加速后，穿过N层，耗散
在收集区域。
在使G极与S极之间加正向电压的同时，在栅极上接上
一个信号电压，使G极形成一个电场，这个电场就能控制S极和D极
之间通道的导电状态，因此，IGBT可以实现大电流控制的功能。
当栅极电压较低时，极个电场也较弱，S与D之间的场效应导电
是较弱的。
当栅极电压增加到一定程度时，P衬底和N+区之间的PN结
区域就会放电，电子被注入N+区域，从而形成一个N+掺杂的导电通道，从而使S和D之间的电阻变得非常小，此时IGBT处于导通状态，可以
实现大电流放电。
MOS场效应管工作原理及特性(1)
常用半导体器件原理
MOS场效应管工作原理 及特性曲线(1)
西电丝绸之路云Байду номын сангаас堂
孙肖子
∙1∙
绝第缘四栅章场效应管(I常GF用ET半) 导体器件原理
绝缘栅场效应管的结构、类型及符号
半半 半半 半半
S GD
型型 S
G
D
半 半 半 ( SiO2 )
A1型
NP++
PN++
半 半 半
L
NP半 半 半
B
半半半 (SiO2)
D常用半导体器件原理
半 半 半 ( SiO 2 )
N＋
N＋
型型型型
半半半
P 型型型型
B 型型型型
MOS
EMOS( 半 半 半 )
N半 半
D
P半 半
D
B
B
G
G
DMOS( 半 半 半 )
N半 半
D
P半 半
D
B
B
G
G
S
ENMOS
S
EPMOS
S
DNMOS
S
DPMOS
∙3∙
N沟道增强型M第OS四管章
常用半导体器件原理
W
PN+＋
NP＋+ 半 半 半
型型型型
NP 型 型 型 型
B 型型型型
绝缘栅场效应管由金属-氧化物-半导体构成(Metal-
Oxide-Semiconductor)，故又简称为MOSFET。导电沟道平行于表
面。且栅极与沟道是绝缘的,栅极电流为零 iG=0。
∙2∙
MOS管类型及 符号
型 型第四S 章 G
,绝缘栅双极型晶体管
,绝缘栅双极型晶体管
摘要：
1.绝缘栅双极型晶体管的概念与结构
2.绝缘栅双极型晶体管的工作原理
3.绝缘栅双极型晶体管的特点与应用
4.绝缘栅双极型晶体管的发展趋势
正文：
绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）是一种高反压大电流器件，它是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
IGBT 兼具MOSFET 的高输入阻抗和双极型晶体管的低导通压降两方面的优点，具有较高的开关速度和较低的导通损耗，常用于大功率放大输出、电磁炉等应用。
IGBT 的工作原理是通过控制MOS 管的栅极，再由MOS 管控制晶体管的通断。
当MOS 管的栅极施加正向电压时，MOS 管导通，晶体管也随之导通；当MOS 管的栅极施加负向电压时，MOS 管截止，晶体管也随之截止。
这样，通过控制MOS 管的栅极电压，可以实现对晶体管的控制，从而达到开关电路的目的。
绝缘栅双极型晶体管具有以下特点：
1.高反压：由于晶体管的集电极和发射极之间有较高的反压，使得IGBT 可以承受较高的电压。
2.大电流：IGBT 具有较大的电流容量，可以承受较大的电流。
3.高开关速度：IGBT 的开关速度较高，可以实现高频率的开关操作。
4.低导通压降：IGBT 的导通压降较低，可以降低能耗和导通损耗。
随着科技的发展，绝缘栅双极型晶体管的应用领域不断扩大，包括新能源、工业控制、家用电器等领域。
igbt工作原理
igbt工作原理
IGBT，即绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是一种常用的功率电子器件。
IGBT结构上同时具备场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）的特点，因此能够实现高电压和高电流的控制。
IGBT的工作原理大致可分为四个阶段：
1. 开启（Turn-On）阶段：当输入信号（称为栅极信号）被应用于IGBT的控制端时，栅极电极上形成强电场，这个电场通过绝缘层作用于底部的N型材料。
这个电场吸引P型材料中的载流子向绝缘层附近靠拢。
2. 激活（Activation）阶段：当达到一定电压时，底部的N型材料中的P-N结将会被击穿，载流子开始穿越绝缘层并进入N型材料。
在激活期间，绝缘层的电容会存储一定电量。
3. 饱和（Saturation）阶段：一旦激活完成，电流开始自绝缘层源源不断地流入P型材料，使其达到饱和状态。
在饱和状态下，整个电流将通过P-N结和N型材料。
4. 关断（Turn-Off）阶段：当栅极信号被取消时，电场在较短的时间内被去激活。
此时，绝缘层上存储的电荷被释放，并迅速恢复到最初的非激活状态。
IGBT进入到可关断状态。
需要注意的是，IGBT的开关速度相对较低，由于其PN结的扩散和复合时间会导致一定的开关延迟。
因此，在高频应用和
快速开关场景中，MOSFET可能会更为适合。
总之，IGBT通过栅极信号的控制，以实现高电压和高电流的
控制，因此在工业控制、变频器、电力传输等应用中广泛使用。
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绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。
它的输入电阻可高达1015W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。
场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。
在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。
绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。
每种又有增强型和耗尽型两类。
下面简单介绍它们的工作原理。
1、增强型绝缘栅场效应管
2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。
然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G。
另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
它的栅极与其他电极间是绝缘的。
图6-38(b)所示是它的符号。
其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
图6-38 N沟道增强型场效应管
场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。
从图
6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。
当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。
UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图6-39(c)所示。
UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。
我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用UT表示。
图6-39 N沟道增强型场效应管的沟道形成图
由上述分析可知，N沟道增强型场效应管在UGS＜UT时，不能形成导电沟道，场效应管处于截止状态。
只有当UGS≥U T时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压UDS，才有漏极电流ID产生。
而且UGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，ID增大。
这是N沟道增强型场效应管的栅极电压控制的作用，因此，场效应管通常也称为压控三极管。
N沟道增强型场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线如图6-40和图6-41所示。
图6-40 N沟道增强型场效应管的输出特性曲线
图6-41 N沟道增强型场效应管的转移特性
2．耗尽型绝缘栅场效应管
从结构上看，N沟道耗尽型场效应管与N沟道增强型场效应管基本相似，其区别仅在于当栅-源极间电压UGS= 0时，耗尽型场效应管中的漏-源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在UGS≥U T时才出现导电沟道。
原因是制造N沟道耗尽型场效应管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型场效应管时掺入负离子)，如图6-42(a)所示，因此即使UGS=0，在这些正离子产生的电场作用下，漏-源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压UDS，就有电流ID。
如果加上正的UGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，ID增大。
反之，UGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小。
当UGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，ID趋于零，该管截止，故称为耗尽型。
沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，用UP表示，为负值。
在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的情况下均能实现对ID的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流下均能实现对ID的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。
这是耗尽型场效应管的一个重要特点。
图6-42 N沟道耗尽型场效应管
图6-42(b)是N沟道耗尽型场效应管的代表符号。
图6-43是N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线，图6-44是N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线。
实验表明，耗尽型场效应管的转移特性可近似用表示
为
图6-43 N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线
图6-44 N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线
以上介绍了N沟道绝缘栅场效应增强型和耗尽型管，实际上P沟道也有增强型和耗尽型，其符号如图6-45所示。
图6-45 P沟道绝缘栅场效应晶体管
绝缘栅场效应管还有一个表示放大能力的参数，即跨导，用符号gm表示。
跨导gm是当漏—源电压UDS为常数时，漏极电流的增量ΔI D对引起这一变化的栅—源电压ΔU DS的比值，
即
(6-23)
跨导是衡量场效应晶体管栅—源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数，它的单位是μA/V或mA/V。