ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบมีฉนวนกั้น

โมดูล IGBT (IGBT และไดโอดฟรีวีลลิ่ง) ที่มีกระแสไฟฟ้าพิกัด 1200 A และแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 3300 V
หลักการ ทำงาน	เซมิคอนดักเตอร์
ปีแห่งการประดิษฐ์	1959
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์
สัญลักษณ์แผนผัง IGBT

ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบเกตฉนวน ( IGBT ) เป็น อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าแบบสามขั้วซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์เป็นหลัก ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อรวมประสิทธิภาพสูงเข้ากับการสวิตช์ที่รวดเร็ว ประกอบด้วยชั้นสลับกันสี่ชั้น (NPNP) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}ซึ่งถูกควบคุมโดยโครงสร้าง เกตโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOS)

แม้ว่าโครงสร้างของ IGBT จะมีลักษณะทางโทโพโลยีคล้ายกับไทริสเตอร์ที่มีเกตแบบ " MOS " ( ไทริสเตอร์เกต MOS ) แต่การทำงานของไทริสเตอร์จะถูกระงับอย่างสมบูรณ์ และอนุญาตให้มีการทำงานของทรานซิสเตอร์เท่านั้นในช่วงการทำงานของอุปกรณ์ทั้งหมด IGBT ถูกนำไปใช้ในแหล่งจ่ายไฟแบบส วิตชิ่ง ในงานกำลังสูง เช่นตัวขับความถี่แปรผัน (VFD) สำหรับควบคุมมอเตอร์ในรถไฟรถยนต์ไฟฟ้าตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศแบบปรับความเร็วได้ รวมถึงบัลลาสต์หลอดไฟเครื่องเชื่อมไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์และไฮ บ ริด ระบบ จ่ายไฟสำรอง (UPS) และเตาแม่เหล็กไฟฟ้า

เนื่องจากได้รับการออกแบบให้เปิดและปิดอย่างรวดเร็ว IGBT จึงสามารถสร้างรูปคลื่นที่ซับซ้อนด้วยการมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์และตัวกรองความถี่ต่ำดังนั้นจึงถูกนำไปใช้ใน วงจร ขยายสัญญาณแบบสวิตชิ่งในระบบเสียงและระบบควบคุม อุตสาหกรรม ในการใช้งานแบบสวิตชิ่ง อุปกรณ์ที่ทันสมัยมีอัตราการทำซ้ำพัลส์สูงถึงช่วงความถี่อัลตราโซนิก ซึ่งสูงกว่าความถี่เสียงที่อุปกรณ์ประมวลผลเมื่อใช้เป็นเครื่องขยายเสียงแบบอนาล็อกอย่างน้อยสิบเท่า ณ ปี 2010 IGBT เป็นทรานซิสเตอร์กำลังที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นอันดับสอง รองจากMOSFET กำลังสูง

เซลล์ IGBT ถูกสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกับMOSFET กำลัง แบบแนวตั้งชนิด n-channel ยกเว้นว่าขั้วระบาย n+ ถูกแทนที่ด้วยชั้นตัวเก็บประจุ p+ จึงทำให้เกิดทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน PNP แนวตั้ง บริเวณ p+ เพิ่มเติมนี้สร้างการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน PNP กับ MOSFETแบบ n-channel บนพื้นผิวโครงสร้างทั้งหมดประกอบด้วย NPNP สี่ชั้น^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์แบบจุดสัมผัสถูกประดิษฐ์ขึ้นในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2490 ^{[ 6 ]}ที่ห้องปฏิบัติการเบลล์เทเลโฟนโดยจอห์น บาร์ดีนและวอลเตอร์ แบรตเทนภายใต้การกำกับดูแลของวิลเลียม ช็อกลีย์ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อ หรือที่รู้จักกันในชื่อทรานซิสเตอร์รอยต่อไบโพลาร์ (BJT) ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยช็อกลีย์ในปี พ.ศ. 2491 ^{[ 7 ]}ต่อมา ไทริสเตอร์ที่คล้ายกันถูกเสนอโดยวิลเลียม ช็อกลีย์ในปี พ.ศ. 2493 และได้รับการพัฒนาในปี พ.ศ. 2499 โดยวิศวกรไฟฟ้าที่เจเนอรัลอิเล็กทริก (GE) ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) ถูกประดิษฐ์ขึ้นที่ห้องปฏิบัติการเบลล์ระหว่างปี พ.ศ. 2492 ถึง พ.ศ. 2503 ^{[ 8 ] [ 9 ]}

โหมดการทำงานพื้นฐานของ IGBT ซึ่งทรานซิสเตอร์ pnp ถูกขับเคลื่อนโดย MOSFET ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย K. Yamagami และ Y. Akagiri จากMitsubishi Electric ใน สิทธิบัตรญี่ปุ่นS47-21739 ซึ่งยื่นจดในปี พ.ศ. 2511 ^{[ 10 ]}

ในปี พ.ศ. 2521 J. D. Plummer และ B. Scharf ได้จดสิทธิบัตรอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์ NPNP ที่รวมความสามารถของ MOS และไบโพลาร์สำหรับการควบคุมพลังงานและการสวิตช์^{[ 11 ] [ 12 ]}การพัฒนา IGBT มีลักษณะเด่นคือความพยายามที่จะระงับการทำงานของไทริสเตอร์หรือแลตช์อัพในอุปกรณ์สี่ชั้นอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากแลตช์อัพทำให้เกิดการทำลายตัวเองของอุปกรณ์อย่างร้ายแรง IGBT จึงได้รับการพัฒนาขึ้นเมื่อสามารถระงับแลตช์อัพของไทริสเตอร์ปรสิตได้อย่างสมบูรณ์ ต่อมา Hans W. Becke และ Carl F. Wheatley ได้พัฒนาอุปกรณ์ที่คล้ายกันโดยอ้างว่าไม่เกิดแลตช์อัพ พวกเขาจดสิทธิบัตรอุปกรณ์นี้ในปี พ.ศ. 2523 โดยเรียกมันว่า "พาวเวอร์ MOSFET ที่มีบริเวณแอโนด" ซึ่ง "ไม่มีการทำงานของไทริสเตอร์เกิดขึ้นภายใต้สภาวะการทำงานของอุปกรณ์ใดๆ" ^{[ 13 ] [ 14 ]}

A. Nakagawa และคณะ ได้คิดค้นแนวคิดการออกแบบอุปกรณ์ IGBT แบบไม่ล็อกอัพในปี 1984 ^{[ 15 ] [ 16 ]}สิ่งประดิษฐ์นี้มีลักษณะเฉพาะคือการออกแบบอุปกรณ์โดยกำหนดกระแสอิ่มตัวของอุปกรณ์ให้ต่ำกว่ากระแสล็อกอัพ ซึ่งเป็นตัวกระตุ้นไทริสเตอร์ปรสิต สิ่งประดิษฐ์นี้ประสบความสำเร็จในการระงับการทำงานของไทริสเตอร์ปรสิตได้อย่างสมบูรณ์เป็นครั้งแรก เนื่องจากกระแสคอลเลคเตอร์สูงสุดถูกจำกัดโดยกระแสอิ่มตัวและไม่เคยเกินกระแสล็อกอัพ

ในระยะเริ่มต้นของการพัฒนา IGBT งานวิจัยมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มกระแสแลตช์อัพเพื่อยับยั้งแลตช์อัพของไทริสเตอร์ปรสิต อย่างไรก็ตาม ความพยายามทั้งหมดนี้ล้มเหลวเนื่องจาก IGBT สามารถนำกระแสได้มหาศาล การยับยั้งแลตช์อัพที่ประสบความสำเร็จทำได้โดยการจำกัดกระแสคอลเลคเตอร์สูงสุดให้อยู่ต่ำกว่ากระแสแลตช์อัพ โดยการควบคุมหรือลดกระแสอิ่มตัวของ MOSFET ที่มีอยู่ภายใน นี่คือความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่อยู่เบื้องหลัง IGBT ที่ไม่เกิดแลตช์อัพ ซึ่งทำให้ "อุปกรณ์ของเบ็คเก้" เป็นไปได้ในที่สุด

IGBT มีคุณสมบัติเด่นคือสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าสูงและกระแสไฟฟ้าสูงได้พร้อมกัน ผลคูณของแรงดันไฟฟ้าและความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่ IGBT สามารถรองรับได้นั้นมีค่ามากกว่า 5 × 10⁵  W/cm²[ ^{17 ] [ 18 ]ซึ่งเกิน}ค่า 2 × 10⁵  วัตต์/ตารางเซนติเมตร^ซึ่งสูงกว่าอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่มีอยู่เดิม เช่น ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และพาวเวอร์ MOSFET นี่เป็นผลมาจากพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย ขนาดใหญ่ ของ IGBT IGBT เป็นอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่ทนทานและแข็งแกร่งที่สุดเท่าที่เคยพัฒนามา ใช้งานง่าย จึงเข้ามาแทนที่ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และแม้แต่ไทริสเตอร์แบบปิดเกต (GTO) คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมนี้ของ IGBT ปรากฏขึ้นอย่างฉับพลันเมื่อมีการคิดค้น IGBT แบบไม่เกิดการลัดวงจร (non-latch-up) ในปี 1984 โดยแก้ปัญหาที่เรียกว่า "การลัดวงจร" ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการทำลายหรือความล้มเหลวของอุปกรณ์ ก่อนหน้านั้น อุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นมานั้นอ่อนแอมากและถูกทำลายได้ง่ายจาก "การลัดวงจร"

อุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงซึ่งสามารถทำงานได้ในช่วงกระแสไฟฟ้าที่กว้างขึ้นนั้น ได้รับการรายงานครั้งแรกโดยB. Jayant Baligaและคณะ ในปี 1982 ^{[ 19 ]}การสาธิตเชิงทดลองครั้งแรกของอุปกรณ์ IGBT แนวตั้งแบบแยกส่วนที่ใช้งานได้จริง ได้รับการรายงานโดย Baliga ในการประชุม IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) ในปีนั้น^{[ 20 ] [ 19 ]} General Electricได้นำอุปกรณ์ IGBT ของ Baliga ออกสู่ตลาดในปีเดียวกัน^{[ 21 ]} Baliga ได้รับการยกย่องให้เข้าสู่หอเกียรติยศนักประดิษฐ์แห่งชาติสำหรับการประดิษฐ์ IGBT ^{[ 22 ]}

บทความที่คล้ายกันนี้ยังถูกส่งโดย JP Russel และคณะไปยัง IEEE Electron Device Letter ในปี 1982 ^{[ 23 ]} ในตอนแรก ชุมชน อิเล็กทรอนิกส์กำลังมองว่าการใช้งานอุปกรณ์นี้ถูกจำกัดอย่างมากด้วยความเร็วในการสวิตช์ที่ช้าและการล็อกของโครงสร้างไทริสเตอร์ปรสิตที่มีอยู่ในอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม Baliga และ A. M. Goodman และคณะได้แสดงให้เห็นในปี 1983 ว่าความเร็วในการสวิตช์สามารถปรับได้ในช่วงกว้างโดยใช้ การฉาย รังสีอิเล็กตรอน^{[ 24 ] [ 25 ]}ตามมาด้วยการสาธิตการทำงานของอุปกรณ์ที่อุณหภูมิสูงโดย Baliga ในปี 1985 ^{[ 26 ]}ความพยายามที่ประสบความสำเร็จในการระงับการล็อกของไทริสเตอร์ปรสิตและการปรับขนาดพิกัดแรงดันของอุปกรณ์ที่ GE ทำให้มีการเปิดตัวอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ในปี 1983 ^{[ 27 ]}ซึ่งสามารถนำไปใช้กับงานได้หลากหลาย ลักษณะทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ GE รุ่น IGT D94FQ/FR4 ได้รับการรายงานโดยละเอียดโดย Marvin W. Smith ในรายงานการประชุม PCI เดือนเมษายน พ.ศ. 2527 ^{[ 28 ]} Smith แสดงในรูปที่ 12 ของรายงานการประชุมว่า การปิดวงจรที่กระแสเกิน 10 แอมแปร์สำหรับความต้านทานเกต 5 kΩ และกระแสเกิน 5 แอมแปร์สำหรับความต้านทานเกต 1 kΩ นั้นถูกจำกัดโดยพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในการสวิตช์ แม้ว่า IGT D94FQ/FR4 จะสามารถนำกระแสคอลเลคเตอร์ได้ถึง 40 แอมแปร์ก็ตาม Smith ยังระบุอีกว่า พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในการสวิตช์นั้นถูกจำกัดโดยการล็อกอัพของไทริสเตอร์ปรสิต

การระงับการทำงานของไทริสเตอร์ปรสิตอย่างสมบูรณ์และการทำงานของ IGBT ที่ไม่เกิดการล็อกอัพในช่วงการทำงานของอุปกรณ์ทั้งหมดนั้นสำเร็จได้โดย A. Nakagawa และคณะในปี 1984 ^{[ 15 ]}แนวคิดการออกแบบที่ไม่เกิดการล็อกอัพนี้ได้รับการยื่นขอสิทธิบัตรในสหรัฐอเมริกา^{[ 29 ]}เพื่อทดสอบการไม่เกิดการล็อกอัพ ต้นแบบ IGBT 1200 V ถูกเชื่อมต่อโดยตรงโดยไม่มีโหลดใดๆ กับแหล่งจ่ายแรงดันคงที่ 600 V และเปิดใช้งานเป็นเวลา 25 ไมโครวินาที แรงดัน 600 V ทั้งหมดถูกลดลงที่อุปกรณ์ และกระแสลัดวงจรขนาดใหญ่ไหลผ่าน อุปกรณ์สามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงนี้ได้สำเร็จ นี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของสิ่งที่เรียกว่า "ความสามารถในการทนต่อกระแสลัดวงจร" ใน IGBT การทำงานของ IGBT ที่ไม่เกิดการล็อกอัพได้รับการรับรองเป็นครั้งแรกในช่วงการทำงานของอุปกรณ์ทั้งหมด^{[ 18 ]}ในแง่นี้ IGBT ที่ไม่เกิดการลัดวงจรซึ่งเสนอโดย Hans W. Becke และ Carl F. Wheatley ได้รับการทำให้เป็นจริงโดย A. Nakagawa และคณะในปี 1984 ผลิตภัณฑ์ IGBT ที่ไม่เกิดการลัดวงจรได้รับการวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์ครั้งแรกโดยToshibaในปี 1985 ซึ่งถือเป็นการกำเนิดที่แท้จริงของ IGBT ในปัจจุบัน

เมื่อ IGBT มีคุณสมบัติป้องกันการล็อกวงจรได้แล้ว พบว่า IGBT มีความทนทานสูงและมีพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย กว้างมาก มีการแสดงให้เห็นว่าผลคูณของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าขณะทำงานและแรงดันตัวเก็บประจุเกินขีดจำกัดทางทฤษฎีของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ ซึ่งก็คือ 2 × 10⁵  วัตต์/ซม. ^²และถึง 5 × 10⁵  W ^/ cm² ^{[ 17 ] [ 18 ]}

โดยทั่วไปวัสดุฉนวนจะทำจากโพลิเมอร์แข็ง ซึ่งมีปัญหาเรื่องการเสื่อมสภาพ มีการพัฒนาที่ใช้เจลไอออนเพื่อปรับปรุงการผลิตและลดแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ^{[ 30 ]}

IGBT รุ่นแรกในช่วงทศวรรษ 1980 และต้นทศวรรษ 1990 มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวเนื่องจากผลกระทบต่างๆ เช่นlatchup (ซึ่งอุปกรณ์จะไม่ปิดตราบใดที่กระแสยังไหลอยู่) และการพังทลายรอง (ซึ่งจุดร้อนเฉพาะที่ในอุปกรณ์เกิดการลัดวงจรความร้อนและทำให้อุปกรณ์ไหม้ที่กระแสสูง) อุปกรณ์รุ่นที่สองได้รับการปรับปรุงอย่างมาก IGBT รุ่นที่สามในปัจจุบันดียิ่งขึ้นไปอีก โดยมีความเร็วเทียบเท่ากับMOSFET กำลังสูงและมีความทนทานและทนต่อการโอเวอร์โหลดได้ดีเยี่ยม^{[ 17 ]}อัตราพัลส์ที่สูงมากของอุปกรณ์รุ่นที่สองและสามยังทำให้มีประโยชน์สำหรับการสร้างพัลส์กำลังขนาดใหญ่ในด้านต่างๆ รวมถึงฟิสิกส์อนุภาคและ พลาสมา ซึ่งเริ่มเข้ามาแทนที่อุปกรณ์รุ่นเก่า เช่นไทราตรอนและช่องว่างประกายไฟที่ถูกกระตุ้นอัตราพัลส์สูงและราคาต่ำในตลาดส่วนเกินยังทำให้เป็นที่น่าสนใจสำหรับนักเล่นงานอดิเรกแรงดันสูงในการควบคุมพลังงานจำนวนมากเพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ต่างๆ เช่นขดลวดเทสลา แบบโซลิดสเตท และปืน ขดลวด

ณ ปี 2010 IGBT เป็นทรานซิสเตอร์กำลังไฟฟ้า ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นอันดับสอง รองจาก MOSFET กำลังไฟฟ้า IGBT คิดเป็น 27% ของตลาดทรานซิสเตอร์กำลังไฟฟ้า รองจาก MOSFET กำลังไฟฟ้า (53%) และนำหน้าแอมพลิฟายเออร์ RF (11%) และทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (9%) ^{[ 31 ]} IGBT ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเทคโนโลยีอุตสาหกรรมภาคพลังงาน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การบิน และอวกาศและการขนส่ง

IGBT ผสานคุณสมบัติการขับเกตที่เรียบง่ายของMOSFET กำลังสูงเข้ากับความสามารถในการรับกระแสสูงและแรงดันอิ่มตัวต่ำของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ IGBT รวมFET แบบเกตแยก สำหรับอินพุตควบคุมและทรานซิสเตอร์ กำลังแบบไบโพลาร์ เป็นสวิตช์ไว้ในอุปกรณ์เดียว IGBT ถูกนำไปใช้ในงานกำลังปานกลางถึงสูง เช่นแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดการควบคุมมอเตอร์ขับเคลื่อนและการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำโมดูล IGBT ขนาดใหญ่โดยทั่วไปประกอบด้วยอุปกรณ์จำนวนมากต่อขนานกัน และสามารถรับกระแสได้สูงมากในระดับหลายร้อยแอมแปร์โดยมีแรงดันบล็อกที่6500 โวลต์ IGBT เหล่านี้สามารถควบคุมโหลดได้หลายร้อยกิโลวัตต์

IGBT มีแรงดันตกคร่อมขณะส่งผ่านต่ำกว่า MOSFET ทั่วไปอย่างมากในอุปกรณ์ที่มีพิกัดแรงดันบล็อกสูงกว่า แม้ว่า MOSFET จะมีแรงดันตกคร่อมขณะส่งผ่านต่ำกว่ามากที่ความหนาแน่นกระแสต่ำกว่า เนื่องจากไม่มีไดโอด Vf ในทรานซิสเตอร์ BJT เอาต์พุตของ IGBT เมื่อพิกัดแรงดันบล็อกของทั้ง MOSFET และ IGBT เพิ่มขึ้น ความลึกของบริเวณดริฟต์ n จะต้องเพิ่มขึ้น และการโดปจะต้องลดลง ส่งผลให้ความสัมพันธ์ระหว่างการนำไฟฟ้าขณะส่งผ่านกับความสามารถในการบล็อกแรงดันของอุปกรณ์ลดลงในลักษณะกำลังสองโดยประมาณ โดยการฉีดพาหะส่วนน้อย (โฮล) จากบริเวณ p+ ของตัวเก็บประจุเข้าไปในบริเวณดริฟต์ n ในระหว่างการนำไฟฟ้าขณะส่งผ่าน ความต้านทานของบริเวณดริฟต์ n จะลดลงอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การลดลงของแรงดันตกคร่อมขณะส่งผ่านในสถานะเปิดนี้มาพร้อมกับข้อเสียหลายประการ:

• รอยต่อ PN เพิ่มเติมจะปิดกั้นการไหลของกระแสย้อนกลับ ซึ่งหมายความว่า ต่างจาก MOSFET IGBT ไม่สามารถนำกระแสในทิศทางย้อนกลับได้ ในวงจรบริดจ์ที่ต้องการการไหลของกระแสย้อนกลับ จะมีการวางไดโอดเพิ่มเติม (เรียกว่าไดโอดฟรีวีลลิ่ง ) ในลักษณะขนานกับ IGBT เพื่อนำกระแสในทิศทางตรงกันข้าม ข้อเสียนั้นไม่รุนแรงมากนัก เพราะที่แรงดันสูง ซึ่งการใช้งาน IGBT เป็นหลัก ไดโอดแบบแยกชิ้นจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าไดโอดภายในของ MOSFET อย่างมาก
• โดยทั่วไปแล้ว ค่าการต้านทานแรงดันไบแอสย้อนกลับของไดโอดในบริเวณ N-drift ไปยังขั้ว P+ ของตัวเก็บประจุจะมีค่าเพียงไม่กี่สิบโวลต์ ดังนั้นหากวงจรใช้งานมีการจ่ายแรงดันย้อนกลับไปยัง IGBT จะต้องใช้ไดโอดอนุกรมเพิ่มเติมอีกตัวหนึ่ง
• ตัวนำประจุส่วนน้อยที่ถูกฉีดเข้าไปในบริเวณ N-drift ต้องใช้เวลาในการเข้าและออก หรือรวมตัวกันใหม่ในระหว่างการเปิดและปิด ซึ่งส่งผลให้เวลาในการสวิตช์นานขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดการสูญเสียจากการสวิตช์ สูงกว่า เมื่อเทียบกับ MOSFET กำลังสูง
• แรงดันตกคร่อมขณะเปิดวงจรของ IGBT มีพฤติกรรมแตกต่างจาก MOSFET กำลังสูงอย่างมาก แรงดันตกคร่อมของ MOSFET สามารถจำลองได้เป็นความต้านทาน โดยแรงดันตกคร่อมจะเป็นสัดส่วนกับกระแส ในทางตรงกันข้าม IGBT มีแรงดันตกคร่อมคล้ายไดโอด (โดยทั่วไปประมาณ 2 โวลต์) ซึ่งเพิ่มขึ้นตามลอการิทึมของกระแสเท่านั้น นอกจากนี้ ความต้านทานของ MOSFET มักจะต่ำกว่าสำหรับแรงดันบล็อกที่ต่ำกว่า ดังนั้นการเลือกใช้ IGBT หรือ MOSFET กำลังสูงจึงขึ้นอยู่กับทั้งแรงดันบล็อกและกระแสที่เกี่ยวข้องในแอปพลิเคชันเฉพาะนั้นๆ

โดยทั่วไปแล้ว แรงดันไฟฟ้าสูง กระแสไฟฟ้าสูง และความถี่ต่ำ จะเหมาะกับ IGBT ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ กระแสไฟฟ้าปานกลาง และความถี่ในการสวิตช์สูง จะเป็นคุณสมบัติของ MOSFET

วงจรที่มี IGBT สามารถพัฒนาและจำลองได้ด้วย โปรแกรม จำลองวงจรคอมพิวเตอร์ต่างๆ เช่นSPICE , Saberและโปรแกรมอื่นๆ ในการจำลองวงจร IGBT นั้น อุปกรณ์ (และอุปกรณ์อื่นๆ ในวงจร) ต้องมีแบบจำลองที่สามารถทำนายหรือจำลองการตอบสนองของอุปกรณ์ต่อแรงดันและกระแสต่างๆ บนขั้วไฟฟ้าของมันได้ สำหรับการจำลองที่แม่นยำยิ่งขึ้น อาจรวมผลกระทบของอุณหภูมิที่มีต่อส่วนต่างๆ ของ IGBT เข้าไปในการจำลองด้วย มีวิธีการจำลองสองวิธีที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่แบบจำลองตามหลักฟิสิกส์ของอุปกรณ์วงจรสมมูลหรือแบบจำลองขนาดใหญ่SPICEจำลอง IGBT โดยใช้แบบจำลองขนาดใหญ่ที่รวมส่วนประกอบต่างๆ เช่นFETและBJTในการกำหนดค่าแบบดาร์ลิงตันแบบจำลองตามหลักฟิสิกส์อีกแบบหนึ่งคือแบบจำลองของ Hefner ซึ่งแนะนำโดย Allen Hefner จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติแบบจำลองของ Hefner ค่อนข้างซับซ้อน แต่ก็แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่ดี แบบจำลองของ Hefner ได้รับการอธิบายไว้ในเอกสารปี 1988 และต่อมาได้ขยายเป็นแบบจำลองเทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งรวมถึงการตอบสนองของ IGBT ต่อความร้อนภายใน แบบจำลองนี้ได้ถูกเพิ่มเข้าไปในซอฟต์แวร์จำลองSaber เวอร์ชันหนึ่ง ^{[ 32 ]}

กลไกความล้มเหลวของ IGBT ประกอบด้วยการรับภาระเกิน (O) และการสึกหรอ (wo) แยกกัน

ความล้มเหลวจากการสึกหรอส่วนใหญ่ได้แก่ ความไม่เสถียรของอุณหภูมิไบแอส (BTI), การฉีดตัวนำร้อน (HCI), การแตกตัวของไดอิเล็กทริกแบบขึ้นอยู่กับเวลา (TDDB), การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (ECM), ความล้าของบัดกรี, การสร้างวัสดุใหม่, การกัดกร่อน ความล้มเหลวจากความเครียดเกินส่วนใหญ่ได้แก่ การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD), การล็อก, การถล่ม, การแตกตัวรอง, การหลุดของลวดเชื่อม และการไหม้^{[ 33 ]}

การประเมินความล้มเหลวของ IGBT กำลังกลายเป็นหัวข้อที่น่าสนใจสำหรับการบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ในแอปพลิเคชันต่างๆ ที่ใช้ IGBT อย่างแพร่หลาย เช่น การขนส่ง โทรคมนาคม และคอมพิวเตอร์ เป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่งเนื่องจากลักษณะที่ซับซ้อนของปัญหาทั้งในเชิงกายภาพและเชิงสถิติฟิสิกส์ของความล้มเหลวยังไม่ได้รับการพิสูจน์ว่าสามารถนำไปใช้กับ IGBT ได้ดี ในขณะที่ แบบจำลอง ที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลต้องการข้อมูลคุณภาพสูงเกี่ยวกับความล้มเหลวของ IGBT ซึ่งมักมีค่าใช้จ่ายสูงในการจัดหา ด้วยความท้าทายเหล่านี้ แบบจำลองการประเมินความล้มเหลวที่ทันสมัยส่วนใหญ่จึงใช้แนวทางแบบผสมผสานซึ่งรวมฟิสิกส์ของความล้มเหลวและแบบจำลองที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลเข้าด้วยกัน^{[ 34 ] [ 35 ]}

• 
  โมดูล IGBT (IGBT และไดโอดฟรีวีลลิ่ง ) ที่มีกระแสไฟฟ้าพิกัด1200 Aและแรงดันไฟฟ้าสูงสุด3300 V
• 
  โมดูล IGBT ที่เปิดออกแล้ว ประกอบด้วย IGBT สี่ตัว (ครึ่งหนึ่งของวงจร H-bridge ) พิกัดกระแส400 A แรงดัน 600 V
• 
  โมดูล IGBT ของ Infineon รองรับกระแส450 A และแรงดัน 1200 V
• 
  โมดูล IGBT ขนาดเล็ก รองรับกระแสได้สูงสุด30 แอมป์และแรงดันได้สูงสุด900 โวลต์
• 
  รายละเอียดภายในของโมดูล IGBT รุ่น CM600DU-24NFH จาก Mitsubishi Electric ที่มีพิกัดกระแส600 A และแรงดัน 1200 Vแสดงให้เห็นถึงชิ้นส่วน IGBT และไดโอดฟรีวีลลิ่ง

• ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน
• การบูตสแตรป
• เทคนิคการฉีดปัจจุบัน
• MOSFET แบบเกตลอย
• ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบเกตเชื่อมต่อ
• มอสเฟต
• อิเล็กทรอนิกส์กำลัง
• พาวเวอร์ MOSFET
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง
• อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์
• ไทริสเตอร์ปิดประตู

• วินทริช, อาเรนดท์; นิโคไล, อุลริช; เทอร์สกี, เวอร์เนอร์; ไรมานน์, โทเบียส (2015). เซมิครอน (บรรณาธิการ). คู่มือการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์กำลัง (ฉบับ PDF) (ฉบับปรับปรุงครั้งที่ 2). เยอรมนี: ISLE Verlag. ISBN 978-3-938843-83-3สืบค้นข้อมูลเมื่อ17 กุมภาพันธ์ 2019

วิกิมีเดียคอมมอน ส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับIGBT

• ข้อมูลฟิสิกส์ของอุปกรณ์จากมหาวิทยาลัยกลาสโกว์
• โมเดล Spice สำหรับ IGBT
• การคำนวณไดรเวอร์ IGBT