PN结：从PN结说起
PN结是半导体的基础，混合是半导体的灵魂，先明确几点:
1、P类型和N型半导体：本征半导体与三价元素混合。根据高中化学键的稳定性原理，空穴容易导电。因此，这里的空穴是多子，即大多数载流子，掺杂类型为P(positive)类型；同样，混合五价元素，电子为多子N(negative)型。
2.载流子:导电介质分为多子和少子。概念很重要，后面会引用
3.空穴带正电，电子带负电，但混合半导体本身是电中性的
4、P 和N 表示严重掺杂；P-和N-表示轻微掺杂
PN如下图所示，空穴和电子扩散形成耗尽层，耗尽层的电场方向如图所示：
PN结正偏：PN如下图所示：
此时，在电场的作用下，P区多子空穴向N区移动，N相反，区域内的多子电子使耗尽层变窄至消失，正向导电OK，也可以理解为，外加电场克服了耗尽层的内电场，实现了导电.7V或0.3V。这就是二极管正向导通的原理。
PN结反偏：PN如下图所示：
反偏时，多子在电场的作用下运动PN结加宽，电流不能通过，反向截止；这是二极管反向截止的原理。然而，此时，少子在内外电场的作用下移动，并耗尽层电场的方向，使少子更容易通过PN结，形成漏电流。
得出重要结论，重点:反偏时，大部分载流子截止，少数载流子容易通过，大部分载流子比正偏时通过PN结也要轻松。
上边说PN结反偏时，少数载流子可轻易通过，形成电流，正常情况下小少子数量很少，反向电流可忽略不计。
现在我们将控制这个反向电流，如何通过向N区注入少子注入，在N区下添加另一个P区，并添加新的PN结正偏，如下：
在上图中，发射结正偏，大量空穴进入基区。他们在基区的身份仍然是少数载流子。此时，如前所述，这些注入的少数载流子很容易通过反偏转PN到达集电极，形成集电极电流Ic。
三极管的放大导通条件是发射结正偏，集电结反偏，很容易理解，上一个三极管的特性曲线。
饱和区问题涉及三极管在饱和区工作Vce很小，有人说饱和区的条件是发射正偏，集电结正偏，容易被误解；发射正偏导没问题，但集电结没有达到正偏导。如果集电结正偏导，和两个二极管没什么区别；
正偏电压阻碍基区少子向集电极漂移，正偏越严重，少子向集电极移动越困难，即Ic越小，饱和状态下越小Ic小于放大状态βIb是的，此时管道呈现出很小的结电阻，即所谓的饱和导通。
MOS管结构原理：以N-MOS为例，a：P衬底为型半导体；b：两个N型区域在上面扩散，c：覆盖SiO2绝缘层；在N区腐蚀两个孔，然后在绝缘层和两个孔中制成三个电极：G(栅极)、D(漏极)、S(源极)。
工作原理：一般衬底与源极短相连，Vds加正电压，Vgs=0时，PN结反偏，没有电流，Vgs加正电压，P负电荷感应在衬底上方，与P衬底的多子(空穴)极性相反，称为反形层，并连接泄漏极N区形成导电沟，当Vgs当负电荷与空穴中和时，仍然不能导电Vgs超过导通阈值后，感应负电荷将N型区形成N沟，开始导电。Vgs继续增加，降低沟扩大电阻，从而增加电流。
为了提高设备的性能，出现了VMOS、UMOS各种结构的基本原理相同。
IGBT是MOS和BJT如何复合复合器件，往下看。从结构上看，IGBT与功率MOS背面的结构非常相似P 注入层(injectionlayer)。
得出IGBT导电路径：
由于上图P陷阱和N-漂移区的PN形成反偏状态，产生反偏状态JFET效应，如下图。
所以，在上面IGBT在结构中，电子流通方向的电阻可以用下图表示，结合上述描述一目了然。
为降低上述电阻，提高栅极面积利用率，槽栅IGBT成为主流，效果如下图所示。
另外，为了提升IGBT耐压，减少拖尾电流N–漂移区和背面工艺(减薄和注入)做了很多努力。
N-区下功夫包括以下几种:
1、PT：以高浓度的P 直拉单晶硅是起始材料，先生长了一层N型缓冲层，掺杂浓度高(N buffer层)，然后继续积累轻混合物N-作为外延层IGBT漂移区，然后在N-外延层表面形成P-base、N source作为元胞，P型衬底最终根据需要减薄。
2、NPT：采用轻掺杂N-作为起始材料，区熔单晶硅首先在硅表面前制作元胞，并用钝化层保护，然后将硅片减薄到适当的厚度。最后，将硼注入薄硅片的背面，形成P collector。
3、FS：以轻掺杂N-作为起始材料，区熔单晶硅首先在硅表面前制作元胞，并用钝化层保护。硅片减薄后，首先将磷注入硅片背面形成N 截止层，最后注入硼，形成P collector。
要搞清楚IGBT、BJT、MOSFET两者之间的关系必须大致了解三者的内部结构和工作原理。
双极晶体管，俗称三极管。内部结构(以PNP型BJT例)如下图所示。
BJT内部结构及符号
双极意味着装置内部有空穴和电子载流子参与导电，BJT由于称为双极性晶体管，其内部必须有空穴和载流子。理解这两种载流子的运动是理解BJT工作原理的关键。
由于图中e(发射极)P区空穴浓度大于b(基极)N区空穴浓度，因此会发生空穴扩散，即P区扩散到N区。eP区电子浓度小于(发射极)b(基极)N区电子浓度，因此电子也会从N区扩散到P区。
这种运动最终会导致从N区到P区的电场出现在发射结上，即内部电场。该电场将防止P区的空穴继续扩散到N区。如果我们在发射结上添加正偏电压(p为了减弱内部电场的作用，可以使空穴继续扩散到N区。
扩散到N区的一部分空穴与N区的大多数载流子电子复合，另一部分集电结反偏(p在负n正的条件下，通过漂移到达集电极，形成集电极电流。
值得注意的是，N区域本身的电子在P区的空穴复合后不会出现N区电子不足，因为B电极B电极(基极)会提供源源不断的电子，以确保上述过程能够持续进行。这部分理解背后的理解IGBT与BJT关系很有帮助。
金属-氧化物-半导体场效应晶体管，简称场效晶体管。内部结构(以N-MOSFET例)如下图所示。
MOSFET内部结构及符号
在P型半导体衬底上做两个N 区域，一个称为源区，另一个称为泄漏区。泄漏和源之间是水平距离沟区。在沟区表面，有一层由热氧化产生的氧化层作为介质，称为绝缘栅。在源区、泄漏区和绝缘栅上蒸发一层铝作为引出电极，即源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。
MOSFET管道为压控装置，其导通关断由栅极电压控制。从图中观察，发现N-MOSFET管道的源极S和漏极D之间有两个背靠背pn结，当栅极-源极电压VGS不加电压时，无论漏极-源极电压如何VDS总有一个极性电压加多大或什么？pn结处于反偏状态，泄漏和源极之间没有导电沟，设备无法导通。
但如果VGS正向足够大。此时，栅极G和衬底P之间的绝缘层将产生一个电场，方向从栅极指向衬底。电子在电场的作用下聚集在栅氧下表面，形成N层（通常是几层）nm)，连接左右两个N 如图中黄色区域所示，形成导通沟。VDS>0V时，N-MOSFET管导通，设备工作。
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IGBT的结构图
IGBT内部结构及符号
黄色色块表示IGBT导通时形成的沟道。首先看黄色虚线部分，细看之下是不是有一丝熟悉之感?
这部分结构和工作原理实质上和上述的N-MOSFET是一样的。当VGE》0V，VCE》0V时，IGBT表面同样会形成沟道，电子从n区出发、流经沟道区、注入n漂移区，n漂移区就类似于N-MOSFET的漏极。
蓝色虚线部分同理于BJT结构，流入n漂移区的电子为PNP晶体管的n区持续提供电子，这就保证了PNP晶体管的基极电流。我们给它外加正向偏压VCE，使PNP正向导通，IGBT器件正常工作。
这就是定义中为什么说IGBT是由BJT和MOSFET组成的器件的原因。
此外，标注红色部分，这部分在定义当中没有被提及的原因在于它实际上是个npnp的寄生晶闸管结构，这种结构对IGBT来说是个不希望存在的结构，因为寄生晶闸管在一定的条件下会发生闩锁，让IGBT失去栅控能力，这样IGBT将无法自行关断，从而导致IGBT的损坏。
BJT出现在MOSFET之前，而MOSFET出现在IGBT之前，所以我们从中间者MOSFET的出现来阐述三者的因果关系。
MOSFET的出现可以追溯到20世纪30年代初。德国科学家Lilienfeld于1930年提出的场效应晶体管概念吸引了许多该领域科学家的兴趣，贝尔实验室的Bardeem和Brattain在1947年的一次场效应管发明尝试中，意外发明了电接触双极晶体管(BJT)。
两年后，同样来自贝尔实验室的Shockley用少子注入理论阐明了BJT的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。
发展到现在，MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等，具有门极输入阻抗高、驱动功率小、电流关断能力强、开关速度快、开关损耗小等优点。
随着下游应用发展越来越快，MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻，人们曾经尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻，但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。这显然不是理想的改进办法。
但是如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构，就不仅能够保留MOSFET原有优点，还可以通过BJT结构的少数载流子注入效应对n漂移区的电导率进行调制，从而有效降低n漂移区的电阻率，提高器件的电流能力。
经过后续不断的改进，目前IGBT已经能够覆盖从600V—6500V的电压范围，应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。
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