` 本帖最后由 比亚迪微电子 于 2016-1-12 21:31 编辑
1、 引言 绝缘栅双极晶体管(Integrated Gate Bipolar Transistor:IGBT)是一种由金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor: MOSFET)和双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor: BJT)组成的复合型器件,它既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快、开关损耗小的优点,又具有BJT的电流密度大、饱和电压低、电流处理能力强的优点,在高压、大电流、高速三方面是其他功率器件所不能比拟的,是电力电子领域理想的开关器件。 表 1 IGBT和其他高压器件的能能对比 IGBT自20世纪70年代末发明以来,经过30余年的发展,几乎已成为逆变、电机驱动等应用中的不二选择,是新能源领域如电动汽车、风能/太阳能逆变等所需的核心器件。 2、IGBT特性简介
图 1 功率MOSFET和IGBT结构示意图 IGBT是通过在功率MOSFET的漏极上追加一层P+层而构成的,其理想等效电路如下图所示:
图 2 IGBT的等效电路图 如需开启IGBT,在IGBT的栅极和发射极之间施加一高于阈值电压(VTH)的正电压,功率MOSFET导通,向PNP晶体管的N-基区注入电子,使PNP晶体管进入导通状态,IGBT的集电极(即PNP管的发射极)向N-基区注入空穴。在导通状态下,由于有大量的电子和空穴注入到高阻的N-基区,N-基区的电阻得以大幅度降低(该现象被称为电导调制效应),所以IGBT的通态电阻相对于同等电压的功率MOSFET要小很多。需关断IGBT时,在栅极和发射极之间施加一低于VTH的电压,首先功率MOSFET处于断路状态,PNP晶体管的基极电流被切断,从而器件进入断路状态。如上所述,IGBT和功率MOSFET一样,通过电压信号就可以控制其开通和关断动作。
对于实际应用中备受关注的IGBT损耗(PTotal)问题,主要来自两个方面:通态损耗(PCond)和开关损耗(PSW),如式1所示。
IGBT背面集电极空穴的注入效率越高,N-基区储存的载流子越多,电导调制效应越强,IGBT的导通电压VCEsat就越低;但另一方面,电导调制效应越强时IGBT关断需抽取的载流子也越多,关断损耗Eoff就越大。因此,IGBT的VCEsat和Eoff存在一种折衷关系。同一种技术的IGBT的VCEsat和Eoff的折衷曲线如图 3所示。
图 3 IGBT的Eoff-VCEsat折衷曲线 3、IGBT的技术发展历史 3.1 穿通(Punch-through:PT)IGBT
最初商业化的IGBT采用的是外延材料,该外延材料是通过在P+衬底上外延N型缓冲层和N-高阻层得到。这种IGBT在高压截止状态下,内部耗尽层会穿通整个N-高阻层并终止于N缓冲层,因此称之为PT IGBT,如图 4所示。
图 4 PT IGBT的结构及内部电场示意图 PT IGBT由于背面的P+区浓度很高,厚度很厚,空穴注入效率高,关断损耗非常大。为解决PT-IGBT的缺点,推动IGBT的技术折衷曲线向原点逼近,20世纪90年代开始下文所介绍的技术逐步出现并商用。
3.2 非穿通(NonPunch-through:NPT)IGBT 为解决PT-IGBT存在的问题,20世纪90年代初NPT IGBT被开发出来并由西门子公司率先量产。NPT IGBT采用高阻的区熔硅为衬底材料,在正面工艺完成后将硅片减薄到一定的厚度,再通过背面注入的方式形成P区。和PT IGBT相比,由于缺少N型缓冲层让电场终止,因此N-区需要足够的厚度,使得IGBT的N-区在任何时候都不会被耗尽层穿通,所以称之为NPT IGBT。
图 5 NPT IGBT的结构及内部电场示意图
NPT IGBT的另外一个重要特点是透明集电极技术。 NPT 和PT IGBT相比,拥有以下优点: 1) NPT IGBT开关损耗小,下降时间短、无拖尾,关断损耗是PT型IGBT的60%; 2) NPT IGBT随着工作温度升高VCEsat增加,构成正温度系数,实际应用电路中易于并联; 3) 关断损耗随温度变化小; 4) 耐压可靠性好:和依靠一薄层N缓冲层来终止高电场的场终止技术相比,留有一定厚度的NPT在高压下更可靠; 5) 热阻低:NPT IGBT芯片一般远薄于PT IGBT,因此热阻更低; 6) 短路能力强,具有更宽的安全工作区; 7) 工艺相对简单,易于实现,成本低。
3.3 场终止技术的IGBT 在NPT IGBT的基础上,缓冲层被重新引入,NPT IGBT的N-高阻层厚度得以减得更薄,IGBT的VCEsat和Eoff进一步降低。与传统的PT IGBT相比,透明集电极技术得以保留。为在名称上区别于传统的PT IGBT,各IGBT供应商都采用了新的名称去命名这一新型的IGBT,如场终止(Field-Stop)IGBT、软穿通(Soft Punch-through:SPT)IGBT、轻穿通(LightPunch-through:LPT)IGBT等。其实这些技术在本质上都是具有透明集电极的PT IGBT,后文统一称为场终止技术。
3.4 近表面载流子浓度增强技术 由于空穴从IGBT背面的集电极输运到IGBT表面的发射极附近后被发射极收集,因此在靠近IGBT表面的N-区域,空穴浓度较低,电导调制效应较弱。如能提高这一区域的载流子浓度,IGBT的性能将得到进一步的提升。沟槽栅(Trench Gate)技术、优化元胞间距、空穴阻挡层技术等,都能提高IGBT近表面的载流子浓度,进一步提升IGBT的性能。 图 6 不同技术IGBT的折衷曲线对比
各IGBT生产商,采用了以上介绍的一种或多种技术,推出了多个系列的IGBT,并根据技术特点,对IGBT进行“代”的划分,但这仅是公司行为,国际上并无统一的划分标准。
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