IGBT中都有哪些PN结？PN结的组合会给IGBT带来哪些特性？

如下图所示为目前国际上最为主流的IGBT芯片俯视图和截面示意图，其中黄色区域代表型半导体，绿色区域代表型半导体。

在平面，IGBT可以划分为元胞区和终端区（后面会详细介绍其作用）；z方向又可以划分为芯片正面和芯片背面。

平面内可能存在四种类型的PN结，

：处于元胞区，与电极(发射极)相连；

：处于元胞区，与电极不相连；

：处于元胞区与终端区的过渡区；

：处于终端区，与电极不相连。

z方向的背面还有一个PN结，

：处于芯片背面，与电极(集电极)相连。

在理解IGBT内部的若干PN结如何协作之前，我们先看单个PN结是如何工作的。第二章中，我们阐述了热平衡状态下的PN结存在一个内部势垒，阻碍PN结两侧的多子（P型中的空穴和N型中的电子）向对方扩散。

显然，若要促进多子能够进一步扩散，就必须克服这个势垒，所采用的办法就是在P区施加一个正向电压，以形成一个与内建电场相反方向的电场；反之，若要进一步阻碍多子扩散，也可以通过在N区施加一个正向电压，从而增加PN结的内部势垒。这两个状态分别对应PN结的导通状态和阻断状态。

如下图所示的一个PN结，假设P区掺杂浓度为，N区掺杂浓度为。P区因为部分空穴扩散到N区而有部分区域带负电，其宽度用表示；反之N区因为部分电子扩散到P区而有部分区域带正电，其宽度用表示。

原本都处于电中性的P区和N区，因为多子扩散，在相交的PN结区域分别有部分空间带电了，这个空间被称为“空间电荷区”，又被称为“耗尽区”，其宽度为： (为depletion的缩写）。

定义P型半导体所连接电极为阳极，对应的N型半导体所连接电极为阴极。假设阳极施加的外界电压为负，那么感生的电场方向由N型指向P型，显然会增强PN结的内建电场，使得耗尽区边界处的多子在电场作用下漂移至对面，留下更大的空间电荷区；同时增大的内建电场会进一步阻碍多子扩散。这个过程可以用静电学的高斯定律和泊松方程进行描述，

其中，表示空间电荷密度，表示介电常数，表示电势差。两个方程的物理意义是：有电荷存在的地方，就会存在电场，其方向为正电荷指向负电荷；而电场在空间的积分就是电势。所以，空间电荷区会存在N区（正电）指向P区（负电）的电场。因此当外加电压为正，感生与原来向反方向的电场，那么空间电荷区变窄，内建电场减弱，PN结导通；反之，当外加电压为负，感生与原来相同方向的电场那么空间电荷区变宽，内建电场增强，PN结就可以承受更高的电势，直到电场峰值材料的临界击穿电场。这就是IGBT能承受高电压的原因。

进一步地，根据高斯定律和泊松方程，电势的梯度正比于电场强度，而电场的梯度正比于空间电荷区的浓度。显然当外加电压为负，空间电荷区浓度越低，那么电场衰减越慢，相应所对应的耗尽区就越宽，达到临界电场强度所对应的绝对值就越高，也就是可承受电压越高。这就是为何电压等级越高的IGBT，其衬底浓度需要越低的缘故。

下面简要推导PN结阻断状态下的峰值电场强度、耗尽区宽度与掺杂浓度以及外加电压之间的关系。

引用高斯定理的积分形式：

即电场沿闭合空间的积分正比于其内部电荷之和。

如下图所示，将闭合四边形的四边分别标记为，

显然，1.,因此电场在和方向的积分相互抵消；

2. ；
3. ;

因此，

所以，

的表达式中利用了平衡态下的电中性原理，即，

当半导体为均匀掺杂时（绝大多数都是这种情况，但也有例外，如经扩散而形成的高斯分布掺杂，后面讲到工艺时会进一步分析），随空间线性变化，其在耗尽区内的积分即为PN结两侧的电势差，即

其中， ，内建电势

综上可以推算出P区和N区内耗尽区的宽度分别为：

当半导体为非均匀掺杂时，推算过程相同，但稍微繁杂一些。

举例：以Si为例，假设P型掺杂浓度为，N型掺杂浓度为,，，，计算的耗尽区宽度变化趋势。 相对的绝对值是个小量，计算过程中可以忽略掉，或者以0.7V替换。

计算结果如下图所示。

可以看出，承受1200V的电压，大约需要140的厚度。