引用:IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極性三極管)和MOSFET(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。

上次從IGBT的名稱入手，搞清楚了IGBT柵極和雙極性所包含的背后意義。這次我們從IGBT的定義出發，來看看為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件？它們之間有什么區別和聯系？在應用的時候，什么時候能選擇IGBT、什么時候選擇BJT、什么時候又選擇MOSFET管呢？乍看這么多問題好像很頭痛，其實很簡單，我們一步一步來。

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為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件？

要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET之間的關系，就必須對這三者的內部結構和工作原理有大致的了解，下面我將用最簡單易懂的語言來為大家逐一講解。

BJT：

雙極性晶體管，俗稱三極管。內部結構（以PNP型BJT為例）如下圖所示。

如同上節講的，雙極性即意味著器件內部有空穴和電子兩種載流子參與導電，BJT既然叫雙極性晶體管，那其內部也必然有空穴和載流子，理解這兩種載流子的運動是理解BJT工作原理的關鍵。

由于圖中 e（發射極）的P區空穴濃度要大于b（基極）的N區空穴濃度，因此會發生空穴的擴散，即空穴從P區擴散至N區。同理，e（發射極）的P區電子濃度要小于b（基極）的N區電子濃度，所以電子也會發生從N區到P區的擴散運動。

這種運動最終會造成在發射結上出現一個從N區指向P區的電場，即內建電場。該電場會阻止P區空穴繼續向N區擴散。倘若我們在發射結添加一個正偏電壓（p正n負），來減弱內建電場的作用，就能使得空穴能繼續向N區擴散。

擴散至N區的空穴一部分與N區的多數載流子——電子發生復合，另一部分在集電結反偏（p負n正）的條件下通過漂移抵達集電極，形成集電極電流。

值得注意的是， N區本身的電子在被來自P區的空穴復合之后，并不會出現N區電子不夠的情況，因為b電極（基極）會提供源源不斷的電子以保證上述過程能夠持續進行。 這部分的理解對后面了解IGBT與BJT的關系有很大幫助。

MOSFET：

金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，簡稱場效晶體管。內部結構（以N-MOSFET為例）如下圖所示。

在P型半導體襯底上制作兩個N+區，一個稱為源區，一個稱為漏區。漏、源之間是橫向距離溝道區。在溝道區的表面上，有一層由熱氧化生成的氧化層作為介質，稱為絕緣柵。在源區、漏區和絕緣柵上蒸發一層鋁作為引出電極，就是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

上節我們提到過一句，MOSFET管是壓控器件，它的導通關斷受到柵極電壓的控制。我們從圖上觀察，發現N-MOSFET管的源極S和漏極D之間存在兩個背靠背的pn結，當柵極-源極電壓VGS不加電壓時，不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓，總有一個pn結處于反偏狀態，漏、源極間沒有導電溝道，器件無法導通。

但如果VGS正向足夠大，此時柵極G和襯底p之間的絕緣層中會產生一個電場，方向從柵極指向襯底，電子在該電場的作用下聚集在柵氧下表面，形成一個N型薄層(一般為幾個nm)，連通左右兩個N+區，形成導通溝道，如圖中黃色區域所示。當V DS ＞0V時，N-MOSFET管導通，器件工作。

了解完以PNP為例的BJT結構和以N-MOSFET為例的MOSFET結構之后，我們再來看IGBT的結構圖↓

黃色色塊表示IGBT導通時形成的溝道。

首先看黃色虛線部分，細看之下是不是有一絲熟悉之感？

這部分結構和工作原理實質上和上述的N-MOSFET是一樣的 。當V GE >0V，V CE >0V時，IGBT表面同樣會形成溝道，電子從n區出發、流經溝道區、注入n漂移區，n漂移區就類似于N-MOSFET的漏極。

藍色虛線部分同理于BJT結構，流入n漂移區的電子為PNP晶體管的n區持續提供電子，這就保證了PNP晶體管的基極電流。 我們給它外加正向偏壓V CE ，使PNP正向導通，IGBT器件正常工作。

這就是定義中為什么說IGBT是由BJT和MOSFET組成的器件的原因。

此外，圖中我還標了一個紅色部分，這部分在定義當中沒有被提及的原因在于它實際上是個npnp的寄生晶閘管結構，這種結構對IGBT來說是個不希望存在的結構，因為寄生晶閘管在一定的條件下會發生閂鎖，讓IGBT失去柵控能力，這樣IGBT將無法自行關斷，從而導致IGBT的損壞。具體原理在這里暫時不講，后續再為大家更新。

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IGBT和BJT、MOSFET之間的因果故事

BJT出現在MOSFET之前，而MOSFET出現在IGBT之前，所以我們從中間者MOSFET的出現來闡述三者的因果故事。

MOSFET的出現可以追溯到20世紀30年代初。德國科學家Lilienfeld于1930年提出的場效應晶體管概念吸引了許多該領域科學家的興趣，貝爾實驗室的Bardeem和Brattain在1947年的一次場效應管發明嘗試中，意外發明了電接觸雙極晶體管（BJT）。

兩年后，同樣來自貝爾實驗室的Shockley用少子注入理論闡明了BJT的工作原理，并提出了可實用化的結型晶體管概念。

1960年，埃及科學家Attala及韓裔科學家Kahng在用二氧化硅改善BJT性能的過程中意外發明了MOSFET場效應晶體管，此后MOSFET正式進入功率半導體行業，并逐漸成為其中一大主力。

**發展到現在，**MOSFET主要應用于中小功率場合如電腦功率電源、家用電器等，具有門極輸入阻抗高、驅動功率小、電流關斷能力強、開關速度快、開關損耗小等優點。

隨著下游應用發展越來越快，MOSFET的電流能力顯然已經不能滿足市場需求。為了在保留MOSFET優點的前提下降低器件的導通電阻，人們曾經嘗試通過提高MOSFET襯底的摻雜濃度以降低導通電阻，但襯底摻雜的提高會降低器件的耐壓。這顯然不是理想的改進辦法。

但是如果在MOSFET結構的基礎上引入一個雙極型BJT結構，就不僅能夠保留MOSFET原有優點，還可以通過BJT結構的少數載流子注入效應對n漂移區的電導率進行調制，從而有效降低n漂移區的電阻率，提高器件的電流能力。

經過后續不斷的改進， 目前IGBT已經能夠覆蓋從600V—6500V的電壓范圍，應用涵蓋從工業電源、變頻器、新能源汽車、新能源發電到軌道交通、國家電網等一系列領域。 IGBT憑借其高輸入阻抗、驅動電路簡單、開關損耗小等優點在龐大的功率器件世界中贏得了自己的一片領域。

總體來說，BJT、MOSFET、IGBT三者的關系就像下面這匹馬

更準確來說，這三者雖然在之前的基礎上進行了改進，但并非是完全替代的關系，三者在功率器件市場都各有所長，應用領域也不完全重合。因此，在時間上可以將其看做祖孫三代的關系，但在技術、應用等方面更像是并列關系。