IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极晶体管是由BJT (bipolar transistor)和MOS(Insulated Gate field effect Transistor)组成的复合型全控压驱动功率半导体器件，具有MOSFET输入阻抗高、GTR导通压降低的优点。GTR饱和电压降低，载流密度高，但驱动电流大；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结合了上述两种器件的优点，具有低驱动功率和低饱和电压。非常适用于DC电压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。
存在在IGBT大力发展之前，功率场效应晶体管MOSFET用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管和GTO用于中高压领域。虽然MOSFET具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单等优点；但在200V或更高电压的情况下，MOSFET的导通电阻会随着击穿电压的增加而迅速增加，使得其功耗大大增加，存在无法获得高耐压和大容量元件等缺陷。双极晶体管具有低正向导通压降的优良特性。虽然可以获得耐压高、容量大的元件，但需要驱动电流大、控制电路复杂、开关速度低。
IGBT就是为了满足这一要求而开发的。它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)组成的器件。具有MOSFET驱动功率低，开关速度(控制和响应)快，双极器件容量大(功率级耐用)的特点。其频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间，可以在几十KHz的频率范围内正常工作。基于这些优异的特性，IGBT在电压超过300V V的应用中得到了广泛的应用，模块化IGBT可以满足更高的电流传导要求，应用领域也在不断完善，未来会有更大的发展。
IGBT的结构和特点；
画图1示出了N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。N+区称为源区，附着其上的电极称为源极(即发射极e)。n的基极称为漏区。器件的控制区是栅极区，附着在其上的电极称为栅极(即栅极G)。沟道形成在栅极区域的边界附近。
存在C和E之间的P型区(包括形成沟道的P+和P-区)称为子沟道区。漏区另一侧的P+区称为漏注入区，是IGBT特有的功能区。它与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管，作为发射极，向漏极注入空穴并进行导电调制，以降低器件的通态电压。附着于漏极注入区的电极称为漏极(即集电极C)。
IGBT的开关作用是通过加正向栅压形成沟道，为PNP(原NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。相反，增加反向栅极电压以消除沟道，切断基极电流并关闭IGBT。
IGBT的驱动方式与MOSFET基本相同，只需要控制输入N沟道MOSFET，因此具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N层的空穴(少数载流子)中，调制N层的电导，降低N层的电阻，使IGBT在高电压下具有较低的通态电压。
IGBT是一种结合了MOSFET和GTR技术的复合开关器件。它是在功率MOSFET的漏极上加一层p+层形成的，在性能上也结合了MOSFET和双极功率晶体管的优点。N+区称为源区，附着其上的电极称为源极(即发射极e)；P+区称为漏区，器件的控制区为栅区，附着其上的电极称为栅极(即栅极G)。
沟道形成在栅极区域的边界附近。存在C极和E极之间(形成沟道的地方)的P型区(包括P+和P-区)称为子沟道区。漏区另一侧的P+区称为漏注入区，是IGBT特有的功能区。它与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管，作为发射极，向漏极注入空穴，进行导电调制，降低器件的通态压降。附着于漏极注入区的电极称为漏极(即集电极C)。
IGBT由一个N沟道MOSFET和一个PNP GTR组成，实际上是一个以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的复合管。除了PNP晶体管结构，IGBT还有NPN晶体管结构，通过将其基极和发射极连接到MOSFET的源极金属端来关断。
IGBT的四层PNPN结构包含PNP和NPN晶体管形成SCR结构，这可能引起IGBT的柱提升效应。与MOSFET不同，IGBT没有寄生反向二极管，所以在实际使用中(感性负载)需要配备合适的快恢复二极管。
IGBT的理想等效电路和实际等效电路如下图所示:
通过等效电路可以IGBT是由PNP双极晶体管和功率MOSFET之间的达林顿连接形成的单片Bi-MOS晶体管。
因此，在大门口-当在发射极之间施加正电压以导通功率MOSFET时，PNP晶体管的基极-集电极与低电阻连接，从而PNP晶体管处于导通状态。因为漏极增加了p+层，所以在导通状态下，空穴从p+层注入到N基极，这导致了导电性的转变。因此，与功率MOSFET相比，它可以获得非常低的导通电阻
此后，制作栅极-发射极间电压为0V时，首先功率MOSFET处于开路状态，PNP晶体管的基极电流被切断，从而处于开路状态。
如上所述，像功率MOSFET一样，IGBT可以通过电压信号控制开关动作。
IGBT的工作特点:
1.静态特性
IGBT的静态特性主要包括伏安特性、传递特性和开关特性。
IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参数变量时，漏电流与栅电压的关系曲线。输出漏电流比由栅源电压Ugs控制，Ugs越高，Id越大。类似于GTR的输出特性，也可以分为三个部分:饱和区1、放大区2和击穿特性。
在切断状态下IGBT和直流电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果没有N+缓冲，正向和反向阻断电压可以是一个级别，而加入N+缓冲后，反向关断电压只能达到几十伏，从而限制了IGBT的一些应用范围。
IGBT的转移特性指的是输出漏极电流Id和栅源电压Ugs之间的关系曲线。它具有与MOSFET相同的传输特性。当栅源电压小于导通电压Ugs(th)时，IGBT处于截止状态。在IGBT开启后的大部分漏极电流范围内，Id和Ugs之间的关系是线性的。栅源电压受漏电流限制，其值一般在15V左右。
IGBT的开关特性指的是漏电流和漏源电压之间的关系。IGBT导通时，其PNP晶体管为宽基极晶体管，因此B值极低。虽然等效电路是达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，导通状态电压Uds(on)可以由下面的公式表示:
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
公式uj1——Ji结的直流电压，取值为0.7 ~ 1Vudr-扩展电阻Rdr两端的电压降；Roh通道电阻。
导通电流id可以用下面的公式表示:
Ids=(1+Bpnp)Imos
公式imos-流经MOSFET的电流。
因为N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降较小，耐压1000V的IGBT的通态压降为2 ~ 3 V..当IGBT断开时，只有很小的漏电流存在。
1动态特征
在IGBT的导通过程中，IGBT大部分时间作为MOSFET工作，但在漏源电压Uds下降的后期，PNP晶体管从放大区变为饱和，这又增加了一个延迟时间。Td(on)是开启延迟时间，tri是电流上升时间。在实际应用中，漏电流导通时间ton是td (on) tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。
IGBT的触发和关断需要在其栅极和基极之间加上直流电压和负电压，栅极电压可以由不同的驱动电路产生。在选择这些驱动电路时，必须基于以下参数:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、固体电阻的要求和电源的情况。由于IGBT的栅发射极阻抗较大，可以用MOSFET驱动技术触发，但由于IGBT的输入电容大于MOSFET，所以IGBT的关断偏置应该高于很多MOSFET驱动电路提供的关断偏置。
IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT关断时，不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随着栅发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的导通电压约为3 ~ 4 V，与MOSFET相当。IGBT导通时，饱和压降低于MOSFET，接近GTR，饱和压降随栅压的增加而减小。
IGBT的工作原理:
IGBT是垂直功率MOSFET的自然演变，适用于大电流、高电压应用和快速终端设备。因为需要源极-漏极沟道来实现更高的击穿电压BVDSS，但是该沟道具有高电阻率，这导致功率MOSFET具有高RDS(on)值。IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然一代异能者MOSFET器件极大地改善了RDS(on)特性，但在高电平下，功率导通损耗仍远高于IGBT技术。与标准双极性器件相比，更低的压降、转换为低VCE(sat)的能力以及IGBT的结构可以支持更高的电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
N沟道IGBT通过在栅极和发射极之间施加高于阈值电压VTH的(正)电压，在栅极电极正下方的P层上形成反型层(沟道)，并开始从发射极电极下方的N层注入电子来工作。这个电子是p+n-p晶体管的少数载流子，它从集电极衬底的p+层流入空穴进行电导率调制(双极操作)，因此可以降低集电极和发射极之间的饱和电压。
工作时的等效电路如图所示。1(b)，IGBT的符号如图1(c)所示。在发射极电极侧形成n+pn寄生晶体管。如果n+pn寄生晶体管工作，它就成为一个p+n- pn+晶闸管。电流继续流动，直到输出端停止提供电流。不再可能通过输出信号进行控制。这种状态通常被称为锁定状态。
为了压制n+pn寄生晶体管IGBT的工作采用尽可能降低p+n-p晶体管电流放大系数α的措施来解决闩锁问题。具体地，p+n-p的电流放大系数α被设计为0.5或更小。IGBT的阻断电流IL是额定电流(DC)的3倍以上。IGBT的驱动原理与功率MOSFET基本相同，开关由栅发射极电压uGE决定。
导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET非常相似。主要区别是IGBT增加了一个P+衬底和一个N+缓冲层(这部分在NPT-非穿通IGBT技术中是没有增加的)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。衬底的应用在管的P+和N+区域之间产生了J1结。
当正栅极偏压反转栅极底部时在P-基极区域中，形成N-沟道，同时出现电子流，并且完全以功率MOSFET的方式产生电流。如果这种电子流产生的电压在0.7V的范围内，那么J1将处于正向偏置，一些空穴将被注入N区，阳极和阴极之间的电阻率将被调节，这降低了功率传导的总损耗，并开始第二次电荷流。
因此，在半导体层面暂时出现了两种不同的电流拓扑:电子流。(MOSFET电流)；空穴电流(双极性)。当uGE大于导通电压UGE(th)时，MOSFET中形成一个沟道为晶体管提供基极电流，IGBT导通。
开启电压降
电导率调制效应使得电阻RN降低，使通态压降变小。
栓
当向栅极施加负偏置电压或者栅极电压低于阈值时，沟道被禁止，并且没有空穴注入。在z-地区。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流将逐渐降低，因为在换向开始后，N层中仍有少数载流子(少数载流子)。
这个剩余电流值(尾流)的减小完全取决于关断时的电荷密度，而密度与几个因素有关，比如掺杂剂的量和拓扑、层厚和温度。少数载流子的衰减使得集电极电流具有特征性的尾波波形，造成以下问题:功耗增加；交叉传导的问题更加明显，尤其是在使用续流二极管的设备中。
因为尾流与少数载流子复合有关，所以尾流的电流值应该与芯片的温度有关。集成电路的空穴迁移率与VCE密切相关。因此，根据达到的温度，减少电流作用在终端设备设计上的不良影响是可行的，尾流特性与VCE、IC和TC有关。
当在栅极和发射极之间施加背压或者没有施加信号时，MOSFET中的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关闭。
反向阻断
当反向电压施加到集电极时，J1将由反向偏置控制，耗尽层将扩展到N区。因为这一层的厚度减少太多，将不会获得有效的阻挡能力，所以这一机制非常重要。另一方面，如果该区域的尺寸过度增加，压降将持续增加。
正向阻断
当栅极和发射极短路并且向集电极端子施加正电压时，P/NJ3结由反向电压控制。此时，承受外加电压的仍然是N漂移区中的耗尽层。
门闩
IGBT在集电极和发射极之间有一个寄生的PNPN晶闸管。在特殊情况下，这个寄生装置会开启。这种现象会增加集电极和发射极之间的电流，降低等效MOSFET的控制能力，通常会造成器件击穿。晶闸管导通现象被称为IGBT闭锁。具体来说，这种缺陷的原因各不相同，并且与设备的状态密切相关。一般来说，静态和动态闩锁有以下主要区别:
动态闩锁仅在断电时发生。这种特殊现象严重限制了安全操作区域。
为了防止寄生现象对于NPN和PNP晶体管的有害现象，需要采取以下措施:一是防止NPN部分导通，分别改变布局和掺杂水平；第二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。
此外，锁存电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定影响，因此也与结温密切相关。随着结温和增益的增加，P基区的电阻率会增加，破坏整体特性。因此，器件制造商必须注意保持集电极电流和闩锁电流之间的一定比例，通常为1: 5。
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