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2019年08月21日 | 一文看懂IGBT芯片是如何工作的
2019-08-21 来源：绿芯工程师
随着现代科技的发展，先进半导体芯片得到了越来越多的重视。其实，半导体芯片在生活中的应用场景有很多，主要有：
逻辑半导体——应用于电脑和各种移动终端中的核心计算芯片；
存储半导体——我们手机的RAM、ROM等；
以及功率半导体——广泛应用于汽车、高铁、电力行业的各种功率芯片，其中最著名的可能是IGBT。
IGBT这个词你可能从没听过，但它一直在我们身边默默服务。小到微波炉、变频空调、变频冰箱，大到新能源汽车、高铁，甚至航母的电磁弹射，IGBT都不可或缺。
作为半导体开关之一，IGBT是能量变换和传输的核心零件。常见的强电只有50Hz交流电，变压器只能改变它的电压。有了IGBT这种开关，就可以通过电路设计和计算机控制，改变交流的频率，或者把交流变直流。
IGBT这个词很抽象，我们可以按功能把它理解为电路开关，非通即断。它就像家里的电灯开关，只不过是由电信号控制，能承受几十到几百伏电压、几十到几百安电流的强电，每秒钟开关频率最高可达几万次。
IGBT的雏形是二极管，下面我们由浅及深，逐步介绍IGBT有趣的工作原理。
1 二极管的工作原理
初中物理就曾经介绍过，我们来一起回想下。
二极管由半导体材料比如硅Si制造出来，Si的价电子层有四个电子，会跟相邻的四个Si原子形成共价健。
电流的传导需要自由电子，而共价键比较稳定，几乎没有多余电子。怎么办呢？
聪明的科学家想出一个办法——掺杂。比如用价电子为5的磷P置换Si，自由电子产生了。
用价电子为3的硼B置换另一块Si，空穴产生了。就这样，萝卜和坑都有了。
前者被称为N型半导体，后者被称为P型半导体。将N型和P型半导体拼在一起，二极管就诞生了。
在两种半导体的交界线，有趣的事情发生了。交界处的空穴和电子，在相互吸引下，“牵手”成功。
同时因为电子的离开，会使N部分边缘轻微带正电。相反，P部分边缘带负电。产生的内电场（又称势垒）会阻止任何一个电子进一步迁移。因此断电状态下，二极管内是没有电流的。
下面，我们给二极管接上电源。此时电源吸引电子和空穴到两个极端，无法有电流产生，也就是电路断开。
如果反转电源，又会发生什么？
假设电源有足够电压，能够克服内电场的阻挡，电子会越过势垒，跳到P型的空穴里，并逐渐移动到外部电路，即电路接通。此时外部电压也被称为二极管的正向偏压。
接下来，难度升级。
2 MOSFET的工作原理
MOSFET，又简称MOS管，金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管，一般潜伏在电脑手机中。MOS管的设计也非常有趣。
MOS管有NPN型和PNP型，被称为N沟道MOS管和P沟道MOS管，我们以NPN型为例，看看电路是如何接通和断开的。
和二极管相同，MOS管的N部分、P部分交界处也会产生内电场，阻止电子扩散，此时没有电流。
下面我们接通电源，底部N部分电子向正极移动，空穴向相反方向移动，底部N与P交界处内电场持续增大，即电路断开。
反向接通电源，也是如此，在上端的N型半导体与P型半导体交界处，内电场增大，电路依旧处于断开状态。那么，怎么才能让电路接通呢？
聪明的工程师又来了，他在P部分上方加入金属板和绝缘板，又称为栅级。
源极与漏极电压不变，栅源加正电压，神奇的现象再次发生了。栅极将P部分电子吸引到绝缘板附近，空穴被填充，此处电位逐渐变化到和两旁N部分相同，于是一条通道打开了。
之后电子在源极、漏极电压驱动下运动，产生电流，电路接通。
降低栅极电压，通道关闭，电路也就闭合了。栅极的存在，使得MOS管只需要很小的驱动功率，而且开关速度快。
3 IGBT工作原理
其实IGBT的结构和MOS管非常接近，只是背面增加N+和P+层。
“+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。从而IGBT在保留MOS管优点的同时，增加了载流能力和抗压能力。
在新能源汽车上，IGBT负责交流直流转换、高低压转换，决定了整车的功率释放速度和能源效率。
IGBT能让电机在瞬间爆发巨大能量，也能瞬间减少输出，还能根据用电需求对电机变频调速，降低能耗，增加续航，被称作是电机驱动系统最核心的元件，当之无愧。
史海拾趣
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