N 沟道 IGBT 的工作是通过栅极—发射极间加高于阈值电压 V_TH 的正电压，在栅极电极正下方的 P 层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的 N⁻ 层注入电子。该电子为 P⁺N⁻P 晶体管的少数载流子，从集电极衬底 P⁺ 层开始流入空穴、进行电导率调制（双极工作），从而可降低集电极—发射极间饱和电压。

图1-16 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号

工作时的等效电路如图1-16(b) 所示，IGBT 的符号如图1-16(c) 所示。在发射极电极侧形成 N⁺PN⁻ 寄生晶体管；若 N⁺PN⁻ 寄生晶体管工作，又变成 P⁺N⁻PN⁺ 晶闸管，电流继续流动直到输出侧停止供给电流，此时通过输出信号已不能控制，这种状态称为闭锁状态。

为抑制 N⁺PN⁻ 寄生晶体管工作，IGBT 尽量缩小 P⁺N⁻P 晶体管的电流放大系数 α 作为解决闭锁的措施，具体设计成 α<0.5。IGBT 的闭锁电流 I_L 为额定电流（直流）的 3 倍以上。IGBT 的驱动原理与电力 MOSFET 基本相同，通断由栅射电压决定。

（1）导通。IGBT 硅片结构（非穿通型除外）与功率 MOSFET 相似，主要差异是增加了 P⁺ 基片及 N⁺ 缓冲层，其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。基片在管体 P⁺ 与 N⁺ 区之间创建 J1 结。栅极正偏压使栅极下 P 基区反演时形成 N 沟道并出现电子流，且按功率 MOSFET 方式产生电子流。若该电子流产生约 0.7 V 范围电压，J1 处于正向偏压，一些空穴注入 N⁻ 区并调整阴阳极间电阻率，降低功率导通总损耗、起动第二个电荷流。最终在半导体层次内临时出现两种电流拓扑：电子流（MOSFET 电流）与空穴电流（双极）。当 U_GE 大于开启电压 U_GE(th) 时，MOSFET 内形成沟道、为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。

（2）导通压降。电导调制效应使电阻减小、通态压降小。

（3）关断。在栅极施加负偏压或栅压低于门限值时沟道被禁止、无空穴注入 N⁻ 区；若 MOSFET 电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，因为换向开始后 N 层内还存在少数载流子（少子）。这种残余电流（尾流）的降低取决于关断时电荷密度，而密度与掺杂数量与拓扑、层次厚度和温度等因素有关。少子衰减使集电极电流具有特征尾流波形，引起功耗升高、交叉导通问题（尤其在带续流二极管的设备上）。鉴于尾流与少子重组有关，尾流电流值应与芯片温度、I_C、U_CE 密切相关的空穴移动性相关，因此据温度降低这种不理想电流效应在终端设备设计上是可行的。栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 沟道消失、晶体管基极电流被切断、IGBT 关断。

（4）反向阻断。集电极施加反向电压时，J1 受反向偏压控制、耗尽层向 N⁻ 区扩展。因过多降低该层厚度将无法取得有效阻断能力，故该机制十分重要；另一方面若过大增加该区域尺寸会连续提高压降。

（5）正向阻断。栅极与发射极短接并在集电极端施加正电压时，P/N 的 J3 结受反向电压控制，仍由 N 漂移区中的耗尽层承受外部施加电压。

（6）闩锁。IGBT 在集电极与发射极间存在寄生 PNPN 晶闸管，特殊条件下该寄生器件会导通，使集电极—发射极间电流量增加、对等效 MOSFET 的控制能力降低，常引起器件击穿。晶闸管导通现象称 IGBT 闩锁，其缺陷原因与器件状态密切相关。静态与动态闩锁的主要区别：①晶闸管全部导通时出现静态闩锁；②仅在关断时出现动态闩锁，该现象严重限制安全操作区。为防止寄生 NPN、PNP 晶体管的有害现象，须采取以下措施：一是防止 NPN 部分接通，分别改变布局与掺杂级别；二是降低 NPN 与 PNP 晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对 PNP、NPN 器件电流增益和结温关系密切；结温和增益提高时 P 基区电阻率升高、破坏整体特性。因此器件制造商须注意使集电极最大电流值与闩锁电流保持一定比例，通常为 1:5。