如下圖所示為目前國際上最為主流的IGBT芯片俯視圖和截面示意圖，其中黃色區(qū)域代表型半導體，綠色區(qū)域代表型半導體。

在平面，IGBT可以劃分為元胞區(qū)和終端區(qū)（后面會詳細介紹其作用）；z方向又可以劃分為芯片正面和芯片背面。

平面內(nèi)可能存在四種類型的PN結，

：處于元胞區(qū)，與電極(發(fā)射極)相連；

：處于元胞區(qū)，與電極不相連；

：處于元胞區(qū)與終端區(qū)的過渡區(qū)；

：處于終端區(qū)，與電極不相連。

z方向的背面還有一個PN結，

：處于芯片背面，與電極(集電極)相連。

在理解IGBT內(nèi)部的若干PN結如何協(xié)作之前，我們先看單個PN結是如何工作的。第二章中，我們闡述了熱平衡狀態(tài)下的PN結存在一個內(nèi)部勢壘，阻礙PN結兩側的多子（P型中的空穴和N型中的電子）向?qū)Ψ綌U散。

顯然，若要促進多子能夠進一步擴散，就必須克服這個勢壘，所采用的辦法就是在P區(qū)施加一個正向電壓，以形成一個與內(nèi)建電場相反方向的電場；反之，若要進一步阻礙多子擴散，也可以通過在N區(qū)施加一個正向電壓，從而增加PN結的內(nèi)部勢壘。這兩個狀態(tài)分別對應PN結的導通狀態(tài)和阻斷狀態(tài)。

如下圖所示的一個PN結，假設P區(qū)摻雜濃度為，N區(qū)摻雜濃度為。P區(qū)因為部分空穴擴散到N區(qū)而有部分區(qū)域帶負電，其寬度用表示；反之N區(qū)因為部分電子擴散到P區(qū)而有部分區(qū)域帶正電，其寬度用表示。

原本都處于電中性的P區(qū)和N區(qū)，因為多子擴散，在相交的PN結區(qū)域分別有部分空間帶電了，這個空間被稱為“空間電荷區(qū)”，又被稱為“耗盡區(qū)”，其寬度為： (為depletion的縮寫）。

定義P型半導體所連接電極為陽極，對應的N型半導體所連接電極為陰極。假設陽極施加的外界電壓為負，那么感生的電場方向由N型指向P型，顯然會增強PN結的內(nèi)建電場，使得耗盡區(qū)邊界處的多子在電場作用下漂移至對面，留下更大的空間電荷區(qū)；同時增大的內(nèi)建電場會進一步阻礙多子擴散。這個過程可以用靜電學的高斯定律和泊松方程進行描述，

其中，表示空間電荷密度，表示介電常數(shù)，表示電勢差。兩個方程的物理意義是：有電荷存在的地方，就會存在電場，其方向為正電荷指向負電荷；而電場在空間的積分就是電勢。所以，空間電荷區(qū)會存在N區(qū)（正電）指向P區(qū)（負電）的電場。因此當外加電壓為正，感生與原來向反方向的電場，那么空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)建電場減弱，PN結導通；反之，當外加電壓為負，感生與原來相同方向的電場那么空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)建電場增強，PN結就可以承受更高的電勢，直到電場峰值材料的臨界擊穿電場。這就是IGBT能承受高電壓的原因。

進一步地，根據(jù)高斯定律和泊松方程，電勢的梯度正比于電場強度，而電場的梯度正比于空間電荷區(qū)的濃度。顯然當外加電壓為負，空間電荷區(qū)濃度越低，那么電場衰減越慢，相應所對應的耗盡區(qū)就越寬，達到臨界電場強度所對應的絕對值就越高，也就是可承受電壓越高。這就是為何電壓等級越高的IGBT，其襯底濃度需要越低的緣故。

下面簡要推導PN結阻斷狀態(tài)下的峰值電場強度、耗盡區(qū)寬度與摻雜濃度以及外加電壓之間的關系。

引用高斯定理的積分形式：

即電場沿閉合空間的積分正比于其內(nèi)部電荷之和。

如下圖所示，將閉合四邊形的四邊分別標記為，

顯然，1.,因此電場在和方向的積分相互抵消；

2. ；
3. ;

因此，

所以，

的表達式中利用了平衡態(tài)下的電中性原理，即，

當半導體為均勻摻雜時（絕大多數(shù)都是這種情況，但也有例外，如經(jīng)擴散而形成的高斯分布摻雜，后面講到工藝時會進一步分析），隨空間線性變化，其在耗盡區(qū)內(nèi)的積分即為PN結兩側的電勢差，即

其中， ，內(nèi)建電勢

綜上可以推算出P區(qū)和N區(qū)內(nèi)耗盡區(qū)的寬度分別為：

當半導體為非均勻摻雜時，推算過程相同，但稍微繁雜一些。

舉例：以Si為例，假設P型摻雜濃度為，N型摻雜濃度為,，，，計算的耗盡區(qū)寬度變化趨勢。 相對的絕對值是個小量，計算過程中可以忽略掉，或者以0.7V替換。

計算結果如下圖所示。

可以看出，承受1200V的電壓，大約需要140的厚度。