絕緣柵雙極晶體管
編輯絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 是一種三端功率半導體器件,主要用作電子開關,隨著它的開發,它結合了高效率和快速開關。 它由四個交替層 (P–N–P–N) 組成,這些層由金屬氧化物半導體 (MOS) 柵極結構控制。
IGBT的結構雖然在拓撲結構上與帶MOS柵極的晶閘管(MOS-gate thyristor)相同,但完全抑制了晶閘管動作,在整個器件工作范圍內只允許晶體管動作。 它用于大功率應用中的開關電源:變頻驅動器 (VFD)、電動汽車、火車、變速冰箱、電燈鎮流器、弧焊機、電磁爐和空調。
由于IGBT被設計成快速導通和關斷,可以通過脈寬調制和低通濾波器合成復雜的波形,因此它也被用于音響系統和工業控制系統中的開關放大器。 在開關應用中,現代設備的脈沖重復率很好地進入超聲波范圍頻率,這至少比設備用作模擬音頻放大器時處理的音頻頻率高十倍。 截至 2010 年,IGBT 是僅次于功率 MOSFET 的第二大使用最廣泛的功率晶體管。
設備結構
編輯IGBT 單元的構造類似于 n 溝道垂直結構功率 MOSFET,只是 n+ 漏極被 p+ 集電極層取代,從而形成垂直 PNP 雙極結晶體管。這個額外的 p+ 區域創建了 PNP 雙極的級聯連接 結型晶體管與表面 n 溝道 MOSFET。
歷史
編輯金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 于 1959 年由貝爾實驗室的 Mohamed M. Atalla 和 Dawon Kahng 發明。最基本的 IGBT 工作模式,即由 MOSFET 驅動的 pnp 晶體管,首先由 三菱電機的 K. Yamagami 和 Y. Akagiri 在 1968 年提交的日本專利 S47-21739 中。
隨著 1970 年代功率 MOSFET 的商業化,B. Jayant Baliga 于 1977 年向通用電氣 (GE) 提交了一份專利披露,描述了一種具有 IGBT 工作模式的功率半導體器件,包括晶閘管的 MOS 門控、四層 VMOS (V-groove MOSFET)結構,并采用MOS-gated結構來控制四層半導體器件。 他于1978年在GE的Margaret Lazeri的協助下開始制作IGBT器件,并于1979年成功完成該項目,并于1979年報告了實驗結果。該器件結構被稱為漏極V型槽MOSFET器件 該區域在本文中被 p 型陽極區域取代,隨后被替換為絕緣柵整流器 (IGR)、絕緣柵晶體管 (IGT)、電導率調制場效應晶體管 (COMFET) 和雙極模式 MOSFET。
1978 年,B. W. Scharf 和 J. D. Plummer 報告了一種 MOS 控制的三端雙向可控硅開關器件及其橫向四層器件 (SCR)。Plummer 于 1978 年為四層器件 (SCR) 中的這種工作模式提交了專利申請。USP No.4199774于1980年發布,B1 Re33209于1996年重新發布。四層器件(SCR)中的IGBT工作模式在集電極電流超過閂鎖電流時切換到晶閘管工作,稱為保持 目前在眾所周知的晶閘管理論中。
IGBT 的發展特點是努力完全抑制晶閘管操作或四層器件中的閂鎖,因為閂鎖會導致致命的器件故障。 因此,當寄生晶閘管的閉鎖被完全抑制時,IGBT 就已經建立,如下所述。
Hans W. Becke 和 Carl F. Wheatley 開發了一種類似的器件,他們于 1980 年為此申請了專利,他們將其稱為具有陽極區的功率 MOSFET。
該專利聲稱在任何設備運行條件下都不會發生晶閘管動作。 該器件與 Baliga 于 1979 年報道的早期 IGBT 器件具有整體相似的結構,并且具有相似的名稱。
A.中川等人。 1984年發明了非閂鎖IGBT的器件設計理念。本發明的特點是器件設計將器件飽和電流設定在閂鎖電流以下,從而觸發寄生晶閘管。 本發明首次實現了對寄生晶閘管動作的完全抑制,因為xxx集電極電流受飽和電流限制,從未超過閉鎖電流。 非閂鎖型IGBT器件設計理念發明后,IGBT迅速發展,非閂鎖型IGBT設計成為事實上的標準,非閂鎖型IGBT專利成為IGBT基礎專利 實際設備。
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