IGBT的靜態特性知識

IGBT的靜態特性其實并非難以理解的東西,即便是對于外行人而言。

剛接觸那會兒，看到轉移特性、輸出特性之類的就想溜之大吉，加之網上查詢的資料一概籠統簡單，只描述特性曲線所表示的關系結果，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，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的靜態特性，接下來我將用最簡單的語言為大家解釋其中原理。

小伙伴們在網上查詢“IGBT靜態特性”時，總會出現圖1所示的兩種曲線：其中左側用于表示IC-VGE關系的曲線叫做轉移特性曲線，右側表示IC-VCE關系的曲線叫做輸出特性曲線。

圖1.IGBT的轉移特性曲線及輸出特性曲線

先從簡單的入手，我們來解釋轉移特性曲線。

一、轉移特性(Transfer Characteristic)

IGBT的轉移特性曲線是指輸出集電極電流IC與柵極-發射極電壓VGE之間的關系曲線。

通過對IGBT內部結構的基本了解（沒了解過的伙伴請點這里→“[初階科普向] IGBT這玩意兒——定義怎么看”），我們知道IGBT可以理解為由MOSFET和PNP晶體管組成的復合晶體管，它的轉移特性與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的轉移特性。

圖2.MOSFET截面示意圖

當MOSFET的柵極-源極電壓VGS=0V時，源極S和漏極D之間相當于存在兩個背靠背的pn結，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pn結處于反偏狀態，漏、源極間沒有導電溝道，器件無法導通，漏極電流ID為N+PN+管的漏電流，接近于0。

當0<VGS<VGS（th）時，柵極電壓增加，柵極G和襯底p間的絕緣層中產生電場，使得少量電子聚集在柵氧下表面，但由于數量有限，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VGS≥VGS（th）時，柵極G和襯底p間電場增強，可吸引更多的電子，使得襯底P區反型，溝道形成，漏極和源極之間電阻大大降低。此時，如果漏源之間施加一偏置電壓，MOSFET會進入導通狀態。在大部分漏極電流范圍內ID與VGS成線性關系，如圖3所示。

圖3.MOSFET轉移特性曲線

這里MOSFET的柵源電壓VGS類似于IGBT的柵射電壓VGE，漏極電流ID類似于IGBT的集電極電流IC。IGBT中，當VGE≥VGE（th）時，IGBT表面形成溝道，器件導通。

二、輸出特性(Output Characteristic)

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

由于IGBT可等效理解為MOSFET和PNP的復合結構，它的輸出特性曲線與MOSFET強相關，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，我們通常以柵源電壓VGS為參變量，因此這里假設VGS為某一固定值且VGS>VGS（th）。

在漏極電流ID達到飽和之前，VDS>0 V且較小，此時，VGD＞0V且接近于VGS，整個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可變電阻區所示。此時溝道呈圖5所示。

圖5.VGD>0V時MOSFET剖面圖

隨著VDS繼續增大，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，ID-VDS的斜率也逐漸減小。

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

圖6.VGD=0 V時MOSFET剖面圖

當VGD＜0 V時，漏極附近的溝道區開始耗盡，增加的VDS主要由耗盡區承擔，VD'S基本保持不變，此后漏極電流飽和，如圖4恒流區所示。此時溝道如圖7所示。

圖7.VGD＜0 V時MOSFET剖面圖

當VDS繼續增加，漏極N+區與襯底P區之間的PN結兩端的電壓降達到雪崩擊穿電壓，該PN結發生雪崩擊穿，ID迅速增大，如圖4擊穿區所示。

以上三個過程用曲線表現的結果如圖4所示。

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

IGBT的柵極-發射極電壓VGE類似于MOSFET的柵極-源極電壓VGS，集電極電流IC類似于漏極電流ID，集電極-發射極電壓VCE類似于漏源電壓VDS。

細心的童鞋們從圖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位置）。

這主要是由于IGBT在導通初期，發射極P+/N-結需要約為0.7V的電壓降使得該結從零偏轉變為正偏所導致的。

至此，IGBT靜態特性的曲線就分析完啦。

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