绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是一种广泛应用于电力电子领域的复合型器件。其工作原理涉及多种物理现象，包括半导体掺杂、载流子注入、电流导通与关断机制等。下面，我们将逐步解析 IGBT 的工作原理及其关键特性。
在 N 沟型 IGBT 中，当栅极-发射极间加一个阀值电压（高于某一电压值）时，在栅极电极下方的 p 层上形成反型层（沟道），从而允许电子从发射极电极下的 n-层注入。这些电子成为 p+n-p 晶体管的少数载流子，并开始在从集电极衬底 p+ 层流入空穴的过程中进行电导率调制，这便是所谓的双极工作模式。这种模式的引入能够有效降低集电极-发射极间饱和电压，提升器件的能效。
IGBT 的工作等效电路如图1（b）所示，其符号如图1（c）所示。在发射极电极侧，形成一个 n+pn－ 寄生晶体管。若此寄生晶体管工作，则 IGBT 变为 p+n－ pn+ 晶闸管。电流在输出侧停止供给时，输出信号无法再进行控制，此时 IGBT 处于闭锁状态。
为了抑制 n+pn- 寄生晶体管的工作，IGBT 采取措施尽可能减小 p+n-p 晶体管的电流放大系数 α。具体而言，设计 α 为 0.5 以下。IGBT 的闭锁电流 IL 要求高于额定电流（直流）的 3 倍以上。驱动原理方面，IGBT 与电力 MOSFET 的基本相似，其通断由栅射极电压 uGE 决定。
在导通状态下，IGBT 的硅片结构与功率 MOSFET 相当接近，主要差异在于 IGBT 增加了 P+ 基片和一个 N+ 缓冲层。其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。基片的应用在 P+ 和 N+ 区之间创建了一个 J1 结。当正栅偏压使栅极下面的 P 基区反演时，形成一个 N 沟道，产生电子流，这与功率 MOSFET 产生电流的方式类似。如果这个电子流产生的电压在 0.7V 范围内，J1 将处于正向偏压，一些空穴注入 N- 区，调整阴阳极之间的电阻率，这有助于降低功率导通的总损耗，并启动第二个电荷流。
在关断状态下，当在栅极施加负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入 N- 区。集电极电流逐渐降低，因为换向开始后，在 N 层内还存在少数载流子。这种尾流问题会导致功耗升高和交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备中表现得更为明显。尾流电流值与芯片的温度、IC 和 VCE 密切相关，因此，降低这种电流在终端设备设计上的不理想效应是可行的。
当集电极被施加反向电压时，J1 受到反向偏压控制，耗尽层向 N- 区扩展。过大地降低这个层面的厚度将无法获得有效的阻断能力。另一方面，增加这个区域尺寸会连续地提高压降。正向阻断时，当栅极和发射极短接并在集电极端子施加正电压时，P/NJ3 结受到反向电压控制。此时，由 N 漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。
闩锁现象是指 IGBT 在集电极与发射极之间存在一个寄生 PNPN 晶闸管。在特定条件下，该寄生器件会导通，导致集电极与发射极之间的电流量增加，对等效 MOSFET 的控制能力降低，严重情况下还会引起器件击穿。静态和动态闩锁是两种主要的闩锁现象，其原因和表现形式不同。静态闩锁发生在晶闸管完全导通时，而动态闩锁则只在关断时出现，它严重限制了安全操作区。
为防止寄生 NPN 和 PNP 晶体管的有害现象，需采取以下措施：一是通过改变布局和掺杂级别，避免 NPN 部分接通。二是降低 NPN 和 PNP 晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对 PNP 和 NPN 器件的电流增益有一定的影响，与结温密切相关。在结温提高的情况下，P 基区的电阻率升高，影响整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常为 1：5 的比例，以确保器件的安全和可靠运行。
绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（Power MOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。