在当今电子技术飞速发展的时代，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为一种关键的电子元器件，在众多领域发挥着至关重要的作用。今天，我们将全方位、深入地探讨 IGBT 的相关知识，包括其定义、内部结构、工作原理、特性以及优缺点等方面。
IGBT 是绝缘栅双极晶体管的简称，它是一种三端半导体开关器件，能够在多种电子设备中实现高效快速的开关功能。IGBT 主要用于放大器，通过脉冲宽度调制（PWM）来切换和处理复杂的波形。从结构上看，输入侧类似于具有栅极端子的 MOS 管，输出侧则类似于具有集电极和发射极的 BJT。集电极和发射极是导通端子，而栅极则是控制开关操作的控制端子。
与双极结型晶体管（BJT）和 MOS 管相比，IGBT 具有显著的优势。它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，同时具备更高的工作电压和更低的 MOS 管输入损耗。
IGBT 有三个端子，即集电极、发射极和栅极，每个端子都附有金属层。不过，栅极端子上的金属材料带有二氧化硅层。IGBT 的结构是一个四层半导体器件，通过组合 PNP 和 NPN 晶体管实现 PNPN 排列。
靠近集电极区的层是 (p+) 衬底，也就是注入区；其上方是 N 漂移区域，包含 N 层。注入区会将大部分载流子（空穴电流）从 (p+) 注入 N - 层，而漂移区的厚度决定了 IGBT 的电压阻断能力。漂移区域上方是主体区域，由 (p) 基板组成，靠近发射极，主体区域内部还有 (n+) 层。注入区域和 N 漂移区域之间的连接点是 J2，N - 区域和主体区域之间的结点是结点 J1。
需要注意的是，IGBT 的结构在拓扑上类似于 “MOS” 栅极的晶闸管，但晶闸管的动作和功能在 IGBT 中是可抑制的，这意味着在 IGBT 的整个器件工作范围内只允许晶体管动作。而且，IGBT 比晶闸管更具优势，因为晶闸管在快速切换时需要等待过零。
IGBT 的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来实现开启或关闭。当正输入电压通过栅极时，发射极保持驱动电路开启；反之，如果 IGBT 的栅极端电压为零或略为负，则会关闭电路应用。
由于 IGBT 兼具 BJT 和 MOS 管的特性，其放大量是输出信号和控制输入信号之间的比率。对于传统的 BJT，增益量约等于输出电流与输入电流的比率，用 Beta（β）表示；而对于 MOS 管，由于栅极端子与主通道承载电流隔离，没有输入电流，我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。
当集电极相对于发射极处于正电位，且栅极相对于发射极也处于足够的正电位（>VGET）时，N 沟道 IGBT 导通。此时，在栅极正下方会形成反型层，从而形成沟道，电流开始从集电极流向发射极。IGBT 中的集电极电流 Ic 由两个分量 Ie 和 Ih 组成，其中 Ih 几乎可以忽略不计，因此 Ic ≈ Ie。
在 IGBT 中存在一种特殊现象，即闩锁。当集电极电流超过某个阈值（ICE）时，寄生晶闸管被锁定，栅极端子失去对集电极电流的控制，即使栅极电位降低到 VGET 以下，IGBT 也无法关闭。此时，需要典型的换流电路来关断 IGBT，否则可能会损坏设备。
IGBT 的近似等效电路由 MOS 管和 PNP 晶体管（Q1）组成，同时考虑到 n - 漂移区提供的电阻，电阻 Rd 也包含在电路中。进一步观察 IGBT 的基本结构，会发现从集电极到发射极存在另一条路径，因此在近似等效电路中还需要加入另一个晶体管 Q2 以获得的等效电路。
当 IGBT 处于关闭模式（VCE 为正且 VGE < VGET）时，反向电压被 J2 阻断；当 VCE 为负时，J1 阻断电压。
IGBT 是电压控制器件，只需在栅极施加很小的电压即可保持导通状态。由于它是单向器件，只能在从集电极到发射极的正向切换电流。导通时间通常由延迟时间（tdn）和上升时间（tr）组成，关断时间由延迟时间（tdf）、初始下降时间（tf1）和终下降时间（tf2）组成。
当没有电压施加到栅极引脚时，IGBT 处于关闭状态，没有电流流过集电极引脚；当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时，IGBT 开始导通，集电极电流开始在集电极和发射极端子之间流动，且集电极电流会随栅极电压的增加而增加。
IGBT 的输出特性分为三个阶段：当栅极电压 VGE 为零时，IGBT 处于关断状态，即截止区；当 VGE 增加但小于阈值电压时，有很小的漏电流流过 IGBT，仍处于截止区；当 VGE 增加到超过阈值电压时，IGBT 进入有源区，电流开始流过 IGBT，且电流会随着电压 VGE 的增加而增加。
IGBT 具有更高的电压和电流处理能力，输入阻抗非常高，可以用很低的电压切换很高的电流。它是电压控制装置，没有输入电流，输入损耗低，栅极驱动电路简单且便宜。此外，IGBT 具有很低的导通电阻、高电流密度，能够实现更小的芯片尺寸，功率增益比 BJT 和 MOS 管更高，开关速度比 BJT 快，还能使用低控制电压切换高电流电平，并且由于双极性质增强了传导性，使用起来更加安全。
IGBT 的开关速度低于 MOS 管，是单向器件，在没有附加电路的情况下无法处理 AC 波形，不能阻挡更高的反向电压，成本比 BJT 和 MOS 管更高，存在锁存问题，与 PMOS 管相比关断时间长。
