IGBT芯片结构解说：看懂IGBT结构

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的名字听起来复杂，但从结构上看，它本质上是在功率MOSFET的基础上叠加了一层P型半导体，来引入"电导调制"效应，以降低导通电阻。理解这一点，就能理解IGBT结构的来龙去脉。本文从MOSFET的导通、耐压讲起，一步步推导出IGBT为什么长这个样子。

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MOSFET的导通与关断

功率MOSFET的核心是"N-P-N"结构加上栅极氧化层：一个P型区域夹在两个N型区域之间，P区上方覆盖一层绝缘的栅氧化层，栅氧化层上方是栅极。

P区中空穴是多数载流子、电子是少数载流子，浓度很低。当栅极不加电压时，上方N+区与下方N-漂移区之间被这层缺少电子的P区隔开，两者无法导通，器件处于关断状态。

当栅极施加正电压后，栅极下方的电场会将P区中的电子吸引到P区与氧化层的界面附近。当栅极电压超过阈值电压、界面处聚集的电子足够多时，这些电子会在P区表面形成一层连续的电子导电层，称为"反型层"或"沟道"。沟道一旦形成，N+与N-漂移区之间就被电子沟道连通，器件导通。撤去栅极电压后，沟道中的电子消失，器件恢复关断。

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MOSFET的耐压能力

当漏极（Drain）施加高电压、器件处于关断状态时，承受这个高电压的主要是下方掺杂浓度很低的N-漂移区。这一区域会形成反偏PN结的耗尽层，耗尽层承担了绝大部分电压。器件需要耐受的电压越高，所需的耗尽层宽度就越大，相应地N-漂移区就要做得越厚、掺杂浓度越低。

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高压场景下MOSFET的瓶颈

硅基功率器件中MOSFET的发明早于IGBT。早期MOSFET主要应用在低压场景。当试图把MOSFET推广到高压场景时，前面提到的耐压需求就要求N-漂移区做得更厚、掺杂更低。

问题随之而来：漂移区变厚、掺杂变低，意味着导通时电子需要穿越的路径变长、可用于导电的载流子浓度也更低，导通电阻会显著上升，器件发热也随之加重。这是MOSFET导通电阻随耐压等级近似按幂函数（约2.5次方）增长的根本原因，也是硅基MOSFET在高压领域难以推广的主要瓶颈。

在这之前，高压大电流场景主要依赖双极型晶体管（三极管）。但三极管导通需要持续提供基极电流来维持，驱动电路难以小型化，且存在储存时间长、开关速度受限等问题。

研究人员因此希望保留MOSFET"电压控制、驱动简单"的优点，同时解决高压下导通电阻过大的问题。

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电导调制：降低导通电阻的关键机制

电导调制（conductivity modulation）指的是：向轻掺杂区域注入大量非平衡载流子，使该区域的实际载流子浓度远超其本身的平衡掺杂浓度，从而显著提高该区域的电导率、降低其电阻率。

在IGBT中，这一过程可以这样理解：IGBT相当于把MOSFET下方的N+层换成了P+层。当集电极施加正电压时，会有空穴从P+注入N-漂移区；为了维持该区域电荷的准中性（正负电荷数量大致相等），必须有等量的电子同步进入该区域予以补偿，这就促使更多电子从上方的N+发射极经沟道进入N-漂移区。

也就是说，普通MOSFET在栅极开启后，N+中的电子仅靠沟道和纵向电场驱动进入N-漂移区，参与导电的只有电子这一种载流子；而IGBT在此基础上，由于集电极正电压使空穴注入N-漂移区，为维持电荷平衡又额外拉动更多电子从N+涌入，使N-漂移区中同时存在远超平衡掺杂浓度的空穴和电子，两者共同参与导电，区域电阻率因此大幅降低。

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IGBT中的电子、空穴导通过程

IGBT的三个端子沿用了双极型器件的命名：集电极（Collector）、发射极（Emitter）、栅极（Gate）。当集电极施加正电压、发射极施加负电压时，若栅极未开启，上方的PN结处于反向偏置，耗尽层扩大，承受电压；下方的NP结则处于正向偏置，耗尽层缩小，不承压。

当栅极加正电压使沟道开启后，在纵向电场的作用下，电子从N+发射极经沟道进入N-漂移区，向集电极方向移动，这一部分和普通MOSFET的导电机理是一样的。

与此同时，由于集电极正电压使下方NP结处于正偏，大量空穴从集电极注入N-漂移区。由于电导调制的作用，这又促使N+发射极向N-漂移区注入更多电子，用以补偿注入空穴带来的正电荷、维持电荷准中性。

电场驱动和电导调制共同作用下的电子，从N+发射极经沟道进入N-漂移区，最终到达集电极，构成了器件的电子电流回路。

对于空穴而言，主要的输运路径是结构左侧的PNP三极管：空穴在电场作用下从集电极进入N-漂移区（相当于该PNP管的基区），扩散穿过N-漂移区，到达上方反偏结附近时，移动方向恰好与该处内建电场的方向一致，因而被这个内建电场推入上方的P+区，进入发射极一侧，完成空穴电流回路。

和前面聊到的普通三极管原理类似，空穴在穿越N漂移区（基区）时，会有少量空穴与N漂移区中的电子发生复合。如果不对N中被复合消耗的电子进行补充，基区会因电子持续减少而逐渐带正电，最终使空穴无法继续注入、PNP管的导电过程无法维持。而补充这部分电子并不困难：N漂移区上方就是N发射极，N来的电子中很小一部分就补充到了被空穴消耗的基区中。这部分电流，正是这个PNP三极管的基极电流来源。至此，IGBT就同时完成了电子和空穴两种载流子的导通。

电子和空穴混在同一区域，难道不会大量复合而相互抵消吗？

电子空穴复合确实需要时间，但只要电子和空穴穿越N-漂移区所需的渡越时间明显小于其复合寿命，空穴和电子就能在被复合消耗之前完成导电任务。实际器件在设计N-漂移区的掺杂浓度和厚度时，也会以此为目标进行优化，从而保证电导调制带来的低阻效果能够稳定维持，使电子和空穴可以同时大量参与导电。

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IGBT结构：在MOSFET基础上增加P+层

对比MOSFET与IGBT的纵向结构可以发现，两者几乎完全一致，唯一的区别在于：IGBT把MOSFET原有N-漂移区下方的N+区域换成了P+区域，作为集电极。

正是这层P

+区域，使器件在导通时能够向N-漂移区注入空穴，触发电导调制效应，大幅降低漂移区电阻。同时，这层P+区域与上方的N-漂移区、P区一起，构成了前面提到的寄生PNP晶体管，这也是IGBT等效电路通常被表示为"MOSFET驱动PNP晶体管"的原因。

这里的寄生指的是，本来只是想通过加入P+层引入电导调制，但P+、N-漂移区、P区这三层结构客观上不可避免地构成了一个PNP晶体管，属于附加产物，所以叫"寄生"。它虽然叫"寄生"，但正是这个PNP管的导电路径，承担了电导调制所需的空穴注入过程，是IGBT正常工作所必需的。

这也解释了IGBT这个名字的由来。IGBT的英文全称是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）。其中，"Insulated Gate"（绝缘栅）指的就是MOSFET结构中那个通过氧化层与下方半导体绝缘隔开的栅极；"Bipolar Transistor"（双极型晶体管）指的正是上面这个由P+、N-漂移区、P区构成的寄生PNP晶体管。IGBT的名字，本质上就是在直接点明它的结构组成：MOSFET的绝缘栅结构，加上一个双极型晶体管。

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总结

IGBT可以理解为在功率MOSFET结构基础上，把下方的N+区域换成P+集电极而形成的器件。这层P+区域使器件在导通时能够向N-漂移区注入空穴，通过电导调制效应大幅提高漂移区的电导率，从而在保留MOSFET电压控制、驱动简单这一优点的同时，克服了MOSFET在高压场景下导通电阻过大的问题。

理解了这个结构演变的逻辑，也就不需要死记硬背IGBT的定义和名字了。

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来源：SiC产学研

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