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2022.01.11 IGBTパワーデバイス

IGBTの構造

IGBTとは

この記事のキーポイント

・基礎的な知識として、IGBTの構造と等価回路の関係を知っておく。

IGBTとは」で説明した通り、IGBTはMOSFETとバイポーラトランジスタの複合化により、それぞれの良い点を兼ね備えたパワートランジスタです。現在主流となっているNチャネル型IGBTを例にして、その基本構造を説明します。以降IGBTとだけの記述は基本的にNチャネル型とします。

IGBTの構造

IGBTの半導体としての構造を理解しやすいように、最初に回路図記号と簡易的な等価回路、そして基本動作のおさらいをしておきます。

Nチャネル型IGBTの回路図記号/Nチャネル型IGBTの等価回路例/Nチャネル型IGBTの基本動作

IGBTには、ゲート、コレクタ、エミッタの3つの端子があり、ゲートはMOSFETのゲート同じで、コレクタとエミッタはバイポーラトランジスタと同じと考えることができます。IGBTはMOSFETと同様に電圧制御素子で、Nチャネル型の場合はエミッタに対して正のゲート電圧VGEを印加すると、コレクタ‐エミッタ間が導通しコレクタ電流ICが流れます。

以下はIGBTの半導体としての構造を示した模式図(断面図)と等価回路です。理解のための簡略化しています。青色の矢印はコレクタ電流ICの流れを表しています。併記した等価回路図と比較してください。

Nチャネル型IGBTの基本構造(クロスセクション)/Nチャネル型IGBTの等価回路と構造の関係

図が示すように、Nch MOSFETのドレイン側にP+コレクタ層が形成されており、コレクタからエミッタまでP型-N型-P型-N型が並んだ構造になっています。

等価回路のNch MOSFETのドレインとPNPトランジスタのベースは共通で、IGBTのN-ドリフト層になります。ゲートは絶縁膜上の薄膜配線でNch MOSFETのゲート=IGBTのゲートです。IGBTのエミッタはN+層でNch MOSFETのソースが該当します。PNPトランジスタのコレクタはP+でIGBTのエミッタN+層と接合しています。PNPトランジスタのエミッタはP+層でIGBTのコレクタになっています。

少々ややこしいですが、IGBTの構造を模式的に示すと等価回路のようになることがわかると思います。

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