在电力电子器件中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）凭借其独特结构，同时实现了高耐压与栅极可控性，成为高压大功率应用的“心脏”。

1、四层半导体结构：n-p-n-p的精密堆叠

①结构组成

p+集电区：高掺杂浓度的p型半导体，作为电流注入端。

n-漂移区：低掺杂浓度的n型半导体，厚度达数百微米，承担高电压。

p基区：中等掺杂浓度的p型半导体，形成导电沟道。

n+发射区：高掺杂浓度的n型半导体，连接源极金属层。

②栅极绝缘层

采用二氧化硅（SiO₂）作为绝缘介质，将栅极金属与半导体表面隔离。

厚度仅数十纳米，实现栅极电压对沟道的静电控制。

2、高压承受机制：耗尽层的扩展与平衡

①反向偏置下的耗尽层

当集电区-发射区（C-E）施加反向电压时，p+集电区与n-漂移区的PN结形成耗尽层。

耗尽层宽度随电压升高而扩展，最终完全承担高电压，避免电场集中。

②耐压等级的决定因素

n-漂移区厚度：厚度每增加10μm，耐压能力提升约200V。

掺杂浓度：浓度每降低一个数量级，耐压能力提升约50%。

典型应用：1200V级IGBT的n-漂移区厚度约120μm，掺杂浓度<1×10¹³cm⁻³。

3、电流控制原理：栅极电压的静电调控

①导电沟道的形成

当栅极-发射极（G-E）施加正电压时，p基区表面形成n型反型层（导电沟道）。

电子从n+发射区经沟道流向n-漂移区，形成集电极电流（Ic）。

②米勒平台的开关过程

开通阶段：栅极电压超过阈值电压（Vth）后，Ic随Vge指数上升，直至米勒平台。

关断阶段：Vge降至阈值电压以下，沟道消失，Ic急剧下降。

4、电导调制与闩锁效应

①电导调制效应

大电流下，n-漂移区注入大量空穴，与电子复合，降低导通电阻（Ron）。

典型数据：1200V IGBT的Ron比同电压MOSFET低80%。

②闩锁效应的规避

寄生晶闸管结构在高温或高电流下可能失控，需优化p基区掺杂浓度。

设计准则：p基区掺杂浓度>5×10¹⁷cm⁻³，避免闩锁效应发生。

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