這篇讓你快速搞懂IGBT的靜態(tài)特性

IGBT的靜態(tài)特性其實(shí)并非難以理解的東西,即便是對(duì)于外行人而言。

剛接觸那會(huì)兒，看到轉(zhuǎn)移特性、輸出特性之類的就想溜之大吉，加之網(wǎng)上查詢的資料一概籠統(tǒng)簡(jiǎn)單，只描述特性曲線所表示的關(guān)系結(jié)果，卻并不解釋曲線為何這里彎曲、那里平直，于是更加煩惱。

但是，像我這樣的心態(tài)，遲早被生活按在地上摩擦！所以最終還是安安心心去啃書整合資料了。為了讓即將走上和我一樣道路的小伙伴能更高效快速地搞懂IGBT的靜態(tài)特性，接下來我將用最簡(jiǎn)單的語言為大家解釋其中原理。

小伙伴們?cè)诰W(wǎng)上查詢“IGBT靜態(tài)特性”時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)圖1所示的兩種曲線：其中左側(cè)用于表示I C -VGE關(guān)系的曲線叫做轉(zhuǎn)移特性曲線，右側(cè)表示I C -VCE關(guān)系的曲線叫做輸出特性曲線。

圖1.IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線及輸出特性曲線

先從簡(jiǎn)單的入手，我們來解釋轉(zhuǎn)移特性曲線。

轉(zhuǎn)移特性(Transfer Characteristic)

IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線是指輸出集電極電流IC與柵極-發(fā)射極電壓VGE之間的關(guān)系曲線。

通過對(duì)IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本了解，我們知道IGBT可以理解為由MOSFET和PNP晶體管組成的復(fù)合晶體管，它的轉(zhuǎn)移特性與MOSFET十分類似。為了便于理解，這里我們可通過分析MOSFET來理解IGBT的轉(zhuǎn)移特性。

圖2.MOSFET截面示意圖

當(dāng)MOSFET的柵極-源極電壓V GS =0V時(shí) ，源極S和漏極D之間相當(dāng)于存在兩個(gè)背靠背的pn結(jié)，因此不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓，總有一個(gè)pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒有導(dǎo)電溝道，器件無法導(dǎo)通，漏極電流ID為N ^+^ PN ^+^ 管的漏電流，接近于0。

當(dāng)0GS GS（th） 時(shí) ，柵極電壓增加，柵極G和襯底p間的絕緣層中產(chǎn)生電場(chǎng)，使得少量電子聚集在柵氧下表面，但由于數(shù)量有限，溝道電阻仍然很大，無法形成有效溝道，漏極電流ID仍然約為0。

當(dāng)V GS ≥V GS（th） 時(shí) ，柵極G和襯底p間電場(chǎng)增強(qiáng)，可吸引更多的電子，使得襯底P區(qū)反型，溝道形成，漏極和源極之間電阻大大降低。此時(shí)，如果漏源之間施加一偏置電壓，MOSFET會(huì)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在大部分漏極電流范圍內(nèi)ID與VGS成線性關(guān)系，如圖3所示。

圖3.MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線

這里MOSFET的柵源電壓VGS類似于IGBT的柵射電壓V GE ，漏極電流ID類似于IGBT的集電極電流I C 。IGBT中，當(dāng)V GE ≥V GE（th） 時(shí)，IGBT表面形成溝道，器件導(dǎo)通。

輸出特性(Output Characteristic)

IGBT的輸出特性通常表示的是以柵極-發(fā)射極電壓VGE為參變量時(shí)，漏極電流IC和集電極-發(fā)射極電壓VCE之間的關(guān)系曲線。

由于IGBT可等效理解為MOSFET和PNP的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它的輸出特性曲線與MOSFET強(qiáng)相關(guān)，因此這里我們依舊以MOSFET為例來講解其輸出特性。

圖4.MOSFET的輸出特性曲線

由于研究輸出特性時(shí)，我們通常以柵源電壓VGS為參變量，因此這里假設(shè)VGS為某一固定值且V GS >V GS（th） 。

在漏極電流ID達(dá)到飽和之前，V DS >0 V且較小，此時(shí)，V GD ＞0V且接近于V GS ，整個(gè)溝道存在大量的電子，等效于電阻，因此從輸出特性曲線上看，該部分呈線性變化，如圖4可變電阻區(qū)所示。此時(shí)溝道呈圖5所示。

圖5.V GD >0V時(shí)MOSFET剖面圖

隨著VDS繼續(xù)增大，VGD逐漸降低，因此漏極附近的反型層電荷密度逐漸減小，漏、源之間的電阻逐漸增加，I D -VDS的斜率也逐漸減小。

當(dāng)V GD =0時(shí)，漏極附近的反型層電荷密度減小為0，I D -VDS的斜率減小為0，溝道開始夾斷(稱之為預(yù)夾斷)，此時(shí)漏極電流ID趨于飽和，不再隨VDS的增加而增大，此時(shí)溝道呈圖6所示。

圖6.V GD =0 V時(shí)MOSFET剖面圖

當(dāng)V GD ＜0 V時(shí)，漏極附近的溝道區(qū)開始耗盡，增加的VDS主要由耗盡區(qū)承擔(dān)，VD'S基本保持不變，此后漏極電流飽和，如圖4恒流區(qū)所示。此時(shí)溝道如圖7所示。

圖7.V GD ＜0 V時(shí)MOSFET剖面圖

當(dāng)VDS繼續(xù)增加，漏極N ^+^ 區(qū)與襯底P區(qū)之間的PN結(jié)兩端的電壓降達(dá)到雪崩擊穿電壓，該P(yáng)N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，ID迅速增大，如圖4擊穿區(qū)所示。

以上三個(gè)過程用曲線表現(xiàn)的結(jié)果如圖4所示。

其中當(dāng)V DS >0且較小時(shí)，ID隨著VDS的增大而增大，這部分區(qū)域在MOSFET中稱為可變電阻區(qū)，在IGBT中稱為非飽和區(qū)；當(dāng)VDS繼續(xù)增大，I D -VDS的斜率逐漸減小為0時(shí)，該部分區(qū)域在MOSFET中稱為恒流區(qū)，在IGBT中稱為飽和區(qū)；當(dāng)VDS增加到雪崩擊穿時(shí)，該區(qū)域在MOSFET和IGBT中都稱為擊穿區(qū)。

IGBT的柵極-發(fā)射極電壓VGE類似于MOSFET的柵極-源極電壓V GS ，集電極電流IC類似于漏極電流I D ，集電極-發(fā)射極電壓VCE類似于漏源電壓V DS 。

細(xì)心的童鞋們從圖4和圖1右的輸出特性曲線可以看出，在線性區(qū)它們之間存在差異（沒注意到的小伙伴也可以直接看下圖中紅框所標(biāo)位置）。

這主要是由于IGBT在導(dǎo)通初期，發(fā)射極P ^+^ /N ^-^ 結(jié)需要約為0.7V的電壓降使得該結(jié)從零偏轉(zhuǎn)變?yōu)檎鶎?dǎo)致的。

至此，IGBT靜態(tài)特性的曲線就分析完啦。