ご覧いただきありがとうございます。ここではIGBTの動きを、回路記号の形からざっくりイメージするコツについて解説いたします。バイポーラトランジスタの記号に近い形をしており使い方も似ているのですが、構造や動作原理、使い道はかなり違います。構造としてはバイポーラトランジスタとMOSFETを合体させていいとこ取りをしたようなものになっており、高速動作＆高電圧で用いられるパワー半導体の部類に属します。
まずは記号を眺めてみよう
IGBTはこんな感じの記号で書かれています。トランジスタの動きをイメージしようの記事で解説したのと同様、G（ゲート）（バイポーラトランジスタではB（ベース）でしたが）にE（エミッタ）より高い電圧をかけるとC（コレクタ）-E間に電流が流れるようになるという使い方は同じです。しかし、矢印の向きに少し電流を流す、ということにはなりません。よく見るとGの先は二重線のようになっていますね。この部分はMOSFETの記号と似ています。MOSFETのGと同じように、ここは絶縁になっているのでGE間には電流は流れないのです。この特徴がIGBTの名前そのものになっており、IGBTはInsulated Gate Bipolar Transistor（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の略なのです。
この記号の形からも推測されるように、IGBTはバイポーラトランジスタとMOSFETを合体させた構造になっているのです！
バイポーラトランジスタとMOSFETを合体させた！
IGBTの内部構造に基づいた等価回路はこのようになっています。IGBTを動作させる原理は以下の３ステップで考えるとわかりやすいです。
- GにEより高い電圧をかけるとMOSFETの部分がOnとなり、PNPトランジスタのベースとEが導通するようになります。これはNチャネルMOSFETがチャネルを形成してOnになるのと同じ原理です。
- PNPトランジスタのベースがEと繋がることによりCとの電位差ができると、PNPトランジスタがOnになります。これはPNP型トランジスタの動作と同じ原理です。
- PNPトランジスタがOnすることでCE間に電流が流れるようになります。
なお、ここまで説明したのはNチャネルIGBTのことで、矢印の向きが逆のPチャネルIGBTというのもあります。動作原理としては極性を逆にした同様のものとなります。
合体すると高速動作＆高電圧で使えるようになる
合体すると何がいいのかというと、双方のデメリットを補い、メリットを生かせることになるのです。
【バイポーラトランジスタ】
メリット：On時のCE間抵抗が比較的小さい。（伝導度変調といいます）
デメリット：BE間に電流を少し流すのでBからみたインピーダンスが低く、高速にはOn/Offできない
【MOSFET】
メリット：Gから先に電流を流さないので高インピーダンスとなり、高速にOn/Offできる
デメリット：D（ドレイン）S（ソース）間が高電圧になるとOn時の抵抗が大きくなる
この２つが合体したIGBTでは、On/Offを高速に動作させることができ、かつ高電圧で使うことができるようになるのです！このため、産業用途や車載用途などの分野で、モータを駆動させるようなパワー半導体として使われています。
まとめ
IGBTについて、回路記号の形に着目し、動作をざっくりと解説いたしました。バイポーラトランジスタとMOSFETを合体させた構造になっていて、両者のいいとこ取りをしたようなものになっています。このことにより、高速動作かつ高電圧で使えるということで、産業用機器や車載部品などでも使われていることを説明いたしました。
