引言：

推荐：初期只针对主机厂等公司新能源汽车三电研发管理制造方面的人员，以及大学和科研机构等的新能源汽车三电研究人员。初期仅开发 200 人，现在已经招募了 160 多人，这些人主要分布在 30 多家主机厂、10 多个（此处缺失具体内容）、大学以及科研机构等的研发管理岗位人员。

在贸易战的当下背景里，先进的半导体芯片越发受到重视。实际上，半导体芯片在生活里的应用场景是多样的，主要包含以下这些：

逻辑半导体——应用于电脑和各种移动终端中的核心计算芯片；

存储半导体——我们手机的RAM、ROM等；

功率半导体是广泛应用于汽车、高铁、电力行业的各种功率芯片，其中最为著名的或许是 IGBT。

你或许从未听过 IGBT 这个词，但它始终在我们身旁默默奉献。从微波炉到变频空调、变频冰箱等较小的电器，再到新能源汽车、高铁以及航母的电磁弹射等较大的领域，IGBT 都起着不可或缺的作用。

IGBT 是半导体开关中的一种，它是能量变换和传输的核心零件。常见的强电仅有 50Hz 交流电，而变压器仅能改变其电压。拥有了 IGBT 这种开关后，就能够借助电路设计和计算机控制，去改变交流的频率，或者将交流转变为直流。

IGBT 这个词较为抽象，我们能够依据其功能将其理解为电路开关，其状态非通即断。它如同家里的电灯开关一样，只是它是由电信号来进行控制的，并且能够承受几十到几百伏的电压以及几十到几百安的电流这样的强电，每秒钟的开关频率最高能够达到几万次。

IGBT 的最初形态是二极管。接下来，我们将从浅显到深入，依次为大家介绍 IGBT 那充满趣味的工作原理。

一、二极管的工作原理

中物理就曾经介绍过，我们来一起回想下。

二极管是由半导体材料制造出来的，例如硅 Si。硅 Si 的价电子层有四个电子，它会与相邻的四个硅 Si 原子形成共价键。

电流的传导需要自由电子。共价键比较稳定，所以几乎没有多余电子。那该怎么办呢？

聪明的科学家想到了一个办法，那就是掺杂。例如，用价电子为 5 的磷 P 去置换 Si 。这样一来，自由电子就产生了。

用价电子为 3 的硼 B 去置换另一块 Si 。这样一来，空穴就产生了。于是，就如同萝卜和坑都具备了一样。

N 型半导体被称作前者，P 型半导体被称作后者。把 N 型半导体与 P 型半导体拼接在一起，二极管就随之诞生了。

在两种半导体的交界线处，发生了一件有趣的事情。交界处的空穴和电子，由于相互吸引，成功地“牵手”了。

因为电子离开，所以 N 部分边缘会轻微带正电。而 P 部分边缘则带负电。产生的内电场（也叫势垒）会阻止任何一个电子进一步迁移。所以在断电状态下，二极管内没有电流。

我们接着给二极管接上电源。这时，电源会将电子和空穴吸引到两个极端。由于这种情况，无法产生电流，也就意味着电路处于断开状态。

如果反转电源，又会发生什么？

如果电源具备足够的电压，能够突破内电场的阻碍，那么电子就会跨越势垒，跃入 P 型的空穴之中，并且会逐步移动到外部电路中，也就意味着电路接通了。在这种情况下，外部电压又被称作二极管的正向偏压。

接下来，难度升级。

二、的工作原理

金属、氧化物、半导体场效应晶体管，又简称 MOS 管，一般在电脑手机中潜伏着。MOS 管的设计是非常有趣的。

MOS 管分为 NPN 型和 PNP 型，分别被称作 N 沟道 MOS 管和 P 沟道 MOS 管。我们选取 NPN 型来进行分析，看看电路是怎样实现接通和断开的。

MOS 管的 N 部分与 P 部分交界处如同二极管一样，会产生内电场，此内电场会阻止电子扩散，在这种情况下就没有电流。

我们接下来接通电源。底部的 N 部分，其电子会向正极移动。同时，空穴会朝着相反的方向移动。在底部 N 与 P 交界处，内电场持续增大。这也就意味着电路处于断开状态。

反向接通电源时情况相同，在电路上端的 N 型半导体与 P 型半导体交界处，内电场会增大，而此时电路依然处于断开状态。那么，怎样才能使电路接通呢？

聪明的工程师再次到来。他在 P 部分的上方添加了金属板，同时也添加了绝缘板，而这金属板和绝缘板又被称作栅级。

源极与漏极电压保持不变，同时栅源加上正电压，神奇的现象再度出现。栅极把 P 部分的电子吸引到绝缘板附近，使得空穴被填充，在这个过程中，此处的电位逐渐发生变化，直至和两旁的 N 部分电位相同，这样一来，一条通道就被打开了。

之后电子在源极、漏极电压驱动下运动，产生电流，电路接通。

降低栅极电压，通道就会关闭。通道关闭后，电路也就闭合了。因为有栅极的存在，所以 MOS 管只需要很小的驱动功率，并且开关速度很快。

三、IGBT工作原理

IGBT 的结构与 MOS 管较为接近，其不同之处在于背面增加了 N+层和 P+层。

“+”表示有着更高的自由电子或者空穴的密度。这样一来，IGBT 在保留 MOS 管优点的同时，还提升了载流能力以及抗压能力。

IGBT 在新能源汽车中承担着交流直流转换以及高低压转换的工作，它对整车的功率释放速度和能源效率起着决定性作用。

IGBT 可以使电机在瞬间释放出巨大的能量，同时也能够在瞬间降低输出。它还能够依据用电需求对电机进行变频调速，以此降低能耗并增加续航。因此，它被称为是电机驱动系统中最为核心的元件，这是当之无愧的。

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