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[分享] [科普向]这篇让你快速搞懂IGBT的静态特性

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发表于 2019-11-29 10:19:34 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 橘子说IGBT 于 2019-12-12 09:32 编辑

IGBT的静态特性其实并非难以理解的东西,即便是对于外行人而言。

刚接触那会儿,看到转移特性、输出特性之类的就想溜之大吉,加之网上查询的资料一概笼统简单,只描述特性曲线所表示的关系结果,却并不解释曲线为何这里弯曲、那里平直,于是更加烦恼。

但是,像我这样的心态,迟早被生活按在地上摩擦!所以最终还是安安心心去啃书整合资料了。为了让即将走上和我一样道路的小伙伴能更高效快速地搞懂IGBT的静态特性,接下来我将用最简单的语言为大家解释其中原理。

小伙伴们在网上查询“IGBT静态特性”时,总会出现图1所示的两种曲线:其中左侧用于表示IC-VGE关系的曲线叫做转移特性曲线,右侧表示IC-VCE关系的曲线叫做输出特性曲线。
图1.IGBT的转移特性曲线及输出特性曲线

先从简单的入手,我们来解释转移特性曲线。

一、转移特性(Transfer Characteristic)
IGBT的转移特性曲线是指输出集电极电流IC与栅极-发射极电压VGE之间的关系曲线。

通过对IGBT内部结构的基本了解,我们知道IGBT可以理解为由MOSFET和PNP晶体管组成的复合晶体管,它的转移特性与MOSFET十分类似。为了便于理解,这里我们可通过分析MOSFET来理解IGBT的转移特性。

图2.MOSFET截面示意图

当MOSFET的栅极-源极电压VGS=0V时,源极S和漏极D之间相当于存在两个背靠背的pn结,因此不论漏极-源极电压VDS之间加多大或什么极性的电压,总有一个pn结处于反偏状态,漏、源极间没有导电沟道,器件无法导通,漏极电流ID为N+PN+管的漏电流,接近于0。

当0<VGS<VGS(th)时,栅极电压增加,栅极G和衬底p间的绝缘层中产生电场,使得少量电子聚集在栅氧下表面,但由于数量有限,沟道电阻仍然很大,无法形成有效沟道,漏极电流ID仍然约为0。

当VGS≥VGS(th)时,栅极G和衬底p间电场增强,可吸引更多的电子,使得衬底P区反型,沟道形成,漏极和源极之间电阻大大降低。此时,如果漏源之间施加一偏置电压,MOSFET会进入导通状态。在大部分漏极电流范围内ID与VGS成线性关系,如图3所示。

图3.MOSFET转移特性曲线

这里MOSFET的栅源电压VGS类似于IGBT的栅射电压VGE,漏极电流ID类似于IGBT的集电极电流IC。IGBT中,当VGE≥VGE(th)时,IGBT表面形成沟道,器件导通。

二、输出特性(Output Characteristic)
IGBT的输出特性通常表示的是以栅极-发射极电压VGE为参变量时,漏极电流IC和集电极-发射极电压VCE之间的关系曲线。
由于IGBT可等效理解为MOSFET和PNP的复合结构,它的输出特性曲线与MOSFET强相关,因此这里我们依旧以MOSFET为例来讲解其输出特性。

图4.MOSFET的输出特性曲线

由于研究输出特性时,我们通常以栅源电压VGS为参变量,因此这里假设VGS为某一固定值且VGS>VGS(th)。

在漏极电流ID达到饱和之前,VDS>0 V且较小,此时,VGD>0V且接近于VGS,整个沟道存在大量的电子,等效于电阻,因此从输出特性曲线上看,该部分呈线性变化,如图4可变电阻区所示。此时沟道呈图5所示。

图5.VGD>0V时MOSFET剖面图

随着VDS继续增大,VGD逐渐降低,因此漏极附近的反型层电荷密度逐渐减小,漏、源之间的电阻逐渐增加,ID-VDS的斜率也逐渐减小。

当VGD=0时,漏极附近的反型层电荷密度减小为0,ID-VDS的斜率减小为0,沟道开始夹断(称之为预夹断),此时漏极电流ID趋于饱和,不再随VDS的增加而增大,此时沟道呈图6所示。

图6.VGD=0 V时MOSFET剖面图

当VGD<0 V时,漏极附近的沟道区开始耗尽,增加的VDS主要由耗尽区承担,VD'S基本保持不变,此后漏极电流饱和,如图4恒流区所示。此时沟道如图7所示。

图7.VGD<0 V时MOSFET剖面图

当VDS继续增加,漏极N+区与衬底P区之间的PN结两端的电压降达到雪崩击穿电压,该PN结发生雪崩击穿,ID迅速增大,如图4击穿区所示。

以上三个过程用曲线表现的结果如图4所示。

其中当VDS>0且较小时,ID随着VDS的增大而增大,这部分区域在MOSFET中称为可变电阻区,在IGBT中称为非饱和区;当VDS继续增大,ID-VDS的斜率逐渐减小为0时,该部分区域在MOSFET中称为恒流区,在IGBT中称为饱和区;当VDS增加到雪崩击穿时,该区域在MOSFET和IGBT中都称为击穿区。

IGBT的栅极-发射极电压VGE类似于MOSFET的栅极-源极电压VGS,集电极电流IC类似于漏极电流ID,集电极-发射极电压VCE类似于漏源电压VDS。

细心的童鞋们从图4和图1右的输出特性曲线可以看出,在线性区它们之间存在差异(没注意到的小伙伴也可以直接看下图中红框所标位置)。


这主要是由于IGBT在导通初期,发射极P+/N-结需要约为0.7V的电压降使得该结从零偏转变为正偏所导致的。

至此,IGBT静态特性的曲线就分析完啦。

了解更多有关IGBT的知识,请关注我的公众号“橘子说IGBT”,每周更新,带你由浅及深地了解IGBT。


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