到目前為止，所有的IGBT設(shè)計(jì)都有一個(gè)共同點(diǎn)平面柵極結(jié)構(gòu)。這種形狀的柵極形成一個(gè)前文所述的JFET結(jié)構(gòu)，以及發(fā)射極區(qū)軟弱的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。對(duì)于平面柵極的IGBT,載流子的濃度從集電極到發(fā)射極之間逐步降低。新一代IGBT的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保持載流子濃度均勻分布，最好是逐步增加，這樣可以進(jìn)一步降低通態(tài)損耗，而不會(huì)影響拖尾電流和關(guān)斷損耗，從而導(dǎo)致溝槽型柵極結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。
圖1a給出了基于PT IGBT原理的溝槽柵IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布圖，而圖1b是通過(guò)電子掃描顯微鏡拍攝的溝槽柵極結(jié)構(gòu)的放大圖。這種結(jié)構(gòu)與普通的平面柵極結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于，當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，P型發(fā)射區(qū)的反型溝道是垂直的而不是橫向的，這就意味著不存在JFET效應(yīng)。由于大量電子的注入，發(fā)射區(qū)附近的電導(dǎo)調(diào)制效率很高。
所有這些都對(duì)載流子的濃度產(chǎn)生積極影響。作為比較，圖2給出了溝槽柵和平面柵結(jié)構(gòu)IGBT內(nèi)部載流子濃度比較。非常明顯，從集電極到發(fā)射極，溝槽柵IGBT的載流子濃度是逐步升高的，而平面IGBT則相反。發(fā)射區(qū)載流子濃度的設(shè)計(jì)與很多因素相關(guān)，其中包括IGBT元胞的尺寸和他們之間的距離，這樣就使得載流子濃度的調(diào)整有無(wú)限多的可能。然而應(yīng)該牢記的是，更高的載流子濃度有利于降低通態(tài)損耗；另一方面，載流子越少，越有利于降低關(guān)斷損耗。事實(shí)證明，內(nèi)部均勻的或者略微遞增的載流子濃度有利于平衡溝槽柵IGBT的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。
根據(jù)圖3所示的簡(jiǎn)化電路圖，IGBT內(nèi)部的電壓降可表示為：
UCEsat=UEmitter-Drain+UDrain-Collector(1)
UEmitter-Drain表示IGBT的發(fā)射極和等效MOSFET漏極的電壓，UDrain-Collector表示漏極到集電極之間的電壓。可以通過(guò)增加每個(gè)IGBT導(dǎo)電溝道的寬度來(lái)降低UEmitter-Drain。相比于平面柵IGBT，溝槽柵IGBT垂直結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電溝道更有利于設(shè)計(jì)緊湊的元胞。即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞，從而增加導(dǎo)電溝道的寬度。另外，UEmitter-Drain可以通過(guò)消除JFET效應(yīng)的方法進(jìn)一步降低。采取這些方法，可以消除UCEsat中UEmitter-Drain分量。也就是說(shuō)，對(duì)于現(xiàn)代的IGBT，飽和壓降主要由UDrain-Collector決定。
增加導(dǎo)電溝道的寬度有利于電導(dǎo)率上升，但是也有它的缺點(diǎn)：較寬的導(dǎo)電溝道會(huì)增加IGBT短路時(shí)的電流。最不利的情況就是，短路電流可能會(huì)很大，以至于非常短時(shí)間內(nèi)就損壞IGBT。為了使得IGBT具有10μs的短路能力(給定的測(cè)試條件下)，需要非常小心地設(shè)計(jì)溝道寬度及相鄰的元胞。為此需要平衡元胞的尺寸和間距，或者不要把所有的柵極接到公共柵極，而是把一些單元的柵極和發(fā)射極直接短路。后者稱為插入合并單元工藝(Plugged Cell Merged,PCM)。平面柵IGBT和溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)如圖4所示。
