绝缘栅双极晶体管工作原理是什么？它的结构特点是什么？

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。

好的，下面用中文详细介绍绝缘栅双极晶体管的工作原理和结构特点：

绝缘栅双极晶体管工作原理与结构特点

1. 工作原理

绝缘栅双极晶体管是一种电压控制型、复合型电力电子器件。它结合了金属-氧化物半导体场效应晶体管的高输入阻抗和低驱动功率的优点，以及双极结型晶体管的低导通压降和大电流处理能力的优点。其核心工作原理可以简述如下：

导通过程：
- 当在栅极相对于发射极施加一个正向电压（超过阈值电压Vge(th)，通常为几伏到十几伏）时，会在N沟道型MOSFET区域（IGBT的上半部分结构）的栅极下面的P型体区表面形成N型反型层沟道。
- 这个沟道连通了发射极侧的N+区和N-漂移区。
- 此时，如果集电极-发射极之间施加了正向电压（Vce > 0），那么来自集电极区（P+注入区）的空穴会注入到N-漂移区。
- 同时，来自发射极N+区的电子通过MOSFET的沟道被注入到N-漂移区。
- 在N-漂移区中，大量的电子和空穴同时存在，形成电导调制效应。这使得该区域的电阻率大大降低，器件呈现低导通压降状态（通常为1.5V至3.5V），电流主要由漂移区承载。
关断过程：
- 当撤除栅极电压或使其降到阈值电压以下时，MOSFET区域的导电沟道消失，切断了电子从发射极注入N-漂移区的路径。
- 注入停止后，N-漂移区中存储的大量少数载流子（主要是电子）需要时间通过复合来消失。
- 在这个过程中，器件两端（CE极）仍然存在电流，称为拖尾电流。
- 当N-漂移区的电子被复合或被集电极侧的P+区抽走，同时空穴也被抽走或复合，使得漂移区的载流子浓度恢复正常（即电导调制效应消失），恢复高阻状态，集电极电流最终降为零，器件完全关断。

关键特点： IGBT的导通是由电压驱动MOS结构形成沟道开始的，它控制着电子的注入，进而诱发空穴注入（来自集电极侧的P+区），在漂移区实现电导调制，达到低导通压降的目的。关断则先切断电子注入，然后缓慢清除漂移区的存储电荷。

2. 结构特点

IGBT的基本结构可以看作是在MOSFET（通常是VDMOS）的漏极端（通常是高阻N-漂移区）之下，增加了一个P+层（集电极层），形成一个四层(P+-N--P-N+) 结构。具体结构特点包括：

纵向结构 (P+/N-/P Body/N+)：
- 这是IGBT最核心的结构特点。它包含一个厚且低掺杂的N-漂移区（负责承受高电压）。
- 顶部： 类似MOSFET结构：金属发射极(E)，P型体区(包含N+源区)，栅极(G) (多晶硅，通过SiO2栅氧绝缘层与下方半导体隔离)。
- 底部： 不是简单的N+漏区，而是一个高掺杂的P+区（称为集电极(C)）。在P+集电极与N-漂移区之间，通常还有一个薄的N型缓冲区，称为场截止层或穿通阻挡层：
  - 穿通型(PT型, Punch-Through)： 包含N缓冲区。用于600V及以下电压等级，漂移区相对较薄，需缓冲区阻止耗尽区在关态时穿通到P+集电极。
  - 非穿通型(NPT型, Non-Punch-Through)： 无N缓冲区，P+直接与N-漂移区接触。用于1200V及以上高电压等级，漂移区更厚。
单元结构：
- 芯片内部由大量微小的基本单元密集排布而成（如正方形、六边形或条形单元）。
- 每个单元都包含一个MOS栅控结构（栅极、栅氧、P体区、N+源区）及其下方对应的N-漂移区和P+集电极的一部分。
- 这种密集排列的结构使得MOS部分能够有效地控制整个芯片区域（尤其是通过控制电子的注入来控制空穴注入和电导调制）。
复合结构本质：
- 可视作一个MOSFET驱动的PNP型双极晶体管。
- MOSFET部分： 由栅极、发射极侧的P体区和N+源区、N-漂移区组成（相当于漏区）。控制整个器件的开关。
- BJT部分： 由P+集电极(C)（集电区）、N-漂移区（基区）、P体区（发射区）组成一个纵向的PNP型双极晶体管。负责大电流导通。
- 内部寄生： 结构中还隐含了一个NPN型寄生晶体管（由N+源区/P体区/N-漂移区构成）。设计时需要确保这个寄生NPN不会开启（例如通过降低P体区电阻），否则可能引发擎住效应导致失控。
绝缘栅极：
- 栅极与发射极之间由二氧化硅绝缘层隔离。这使得输入阻抗极高（几乎不消耗驱动电流），驱动功率极低。
引出端：
- 集电极(C)： 通常接在器件底部，为大电流、高电压端。
- 发射极(E)： 通常接在器件顶部，为大电流、参考电位端。
- 栅极(G)： 位于顶部发射极金属之间，为低电流、电压控制端。
封装：
- 小功率IGBT通常采用TO-247, TO-220等三引脚封装。
- 中大功率IGBT常用模块化封装，包含单管、半桥（H-Bridge）、三相桥（Six-Pack）等形式，并集成散热基板、驱动接口甚至温度传感器和驱动保护电路。

总结：

IGBT是一种利用MOS栅极电压控制形成沟道来开启/关断、通过注入双极载流子在低掺杂漂移区形成电导调制效应来实现低导通压降的复合型功率半导体器件。其核心结构特点是纵向的四层结构(P+/N-/P/N+)加上顶部的MOSFET结构。它兼具了MOSFET的易驱动性和BJT的低通态损耗优点，在高压、大电流、中等频率的应用领域（如电机驱动、逆变器、不间断电源、电动汽车、电力系统等）占据主导地位。其开关速度（尤其是关断拖尾电流）介于MOSFET和BJT之间，是其性能优化的关键折中点。