電子部品 - IGBT

概要

トランジスタは、バイポーラトランジスタ(BJT)、電界効果トランジスタ(FET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の3つの種類がある。

バイポーラトランジスタ(BJT)は、NPN型とPNP型に分類される。
電界効果トランジスタ(FET)は、接合型FET(JFET)と金属酸化膜半導体FET(MOSFET)に分類される。
接合型FET(JFET)は、Nチャネル型とPチャネル型に分類される。
金属酸化膜半導体FET(MOSFET)は、エンハンスメント形とデプレッション形があり、それぞれ、Nチャネル型とPチャネル型に分類される。
絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は、Nチャネル型とPチャネル型に分類される。

トランジスタの種類を下図に示す。

※補足
バイポーラトランジスタには、派生型として抵抗を内臓した抵抗内蔵型トランジスタ(デジタルトランジスタ)というものが存在する。

バイポーラトランジスタ(BJT)、MOSFET、IGBTの特徴

バイポーラトランジスタ(BJT)、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の特徴を下図に示す。

バイポーラトランジスタ(BJT)は、電流駆動であるが、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は電圧駆動である。
また、スイッチング速度は、バイポーラトランジスタ(BJT)が低速、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)は高速である。
絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は比較的に高速であるが、MOSFETよりも劣っており、これがIGBTの欠点となっている。

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)とは

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は、Nチャネル型とPチャネル型の2種類ある。

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)には、ゲート、コレクタ、エミッタの3つの端子がある。
ゲートは金属酸化膜半導体FET(MOSFET)と同じで、コレクタとエミッタはバイポーラトランジスタ(BJT)と同じになっている。
また、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は、電圧制御素子である。ゲート端子の印加電圧によって、コレクタ-エミッタ間に流れるコレクタ電流I_Cを制御する。

※補足
絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は、Insulated Gate Bipolar Transistorの略である。
IGBTは、MOSFETとバイポーラトランジスタを複合化することで、MOSFETとバイポーラトランジスタの良い面を利用するために開発されたトランジスタである。
MOSFETと同様にゲートが絶縁されており、電圧制御形のデバイスである。

MOSFETの高速動作が可能という点と、バイポーラデバイスの高耐圧でも低オン抵抗という特徴を持っている。

Nチャネル型IGBT

Nチャネル型IGBTは、エミッタがN型半導体、コレクタがP型半導体の絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)である。

エミッタに対して、ゲート端子に正電圧を印加すると、コレクタからエミッタにコレクタ電流I_Cが流れる。

Nチャネル型IGBTの動作原理

• ゲート-エミッタ間に正電圧が印加されていない状態

  コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを印加しても、NPN構造があるため、コレクタからエミッタにコレクタ電流I_Cが流れない。

  
  

• エミッタに対して、ゲート端子に正電圧を印加している状態

  ゲートの絶縁膜直下にP型半導体内の電子が引き寄せられ、電子よるNチャネル領域が形成される。

  その結果、コレクタ-エミッタ間はPN接続となるため、コレクタからエミッタにコレクタ電流I_Cが流れる。

NチャネルMOSFET(エンハンスメント形)では、N型半導体のソースとN型半導体のドレインの間で電流が流れるのに対して、
Nチャネル型IGBTでは、P形半導体のコレクタからN形半導体のエミッタに電流が流れる構造となっている。

Pチャネル型IGBT

Pチャネル型IGBTは、エミッタがP型半導体、コレクタがN型半導体の絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)である。

エミッタに対して、ゲート端子に負電圧を印加すると、エミッタからコレクタにコレクタ電流I_Cが流れる。

Pチャネル型IGBTの動作原理については、Nチャネル型IGBTの動作原理と同様に考えればよいため、省略する。