橘子说IGBT

  • 2019-11-21
  • 发表了日志: [科普]IGBT这玩意儿——从名称入手

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    在微电子行业混久了的人,很少有不知道IGBT的。 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。 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。 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。 顺带提一句,刚开始接触到IGBT的时候,我是酱紫的↓ 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。 主语是晶体管,修饰词(性质)有三个,分别是绝缘、栅、双极性。 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。 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。 “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。 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。 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。 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。 此外,压控器件在整体功耗方面也要低于流控器件。 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。 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。 “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,顺丰彩票app下载直营网:亦或是二者都有。 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。 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。 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。 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。 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。 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(图中J1结),最终由发射极收集。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 需要声明的是,以上内容都是我个人了解到的知识,只不过转化成了我觉得比较易懂的文字,所以如果有任何偏颇之处,希望大家不吝赐教。 此内容由EEWORLD论坛网友橘子说IGBT原创,如需转载或用于商业用途需征得作者同意并注明出处

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