何为IGBT？IGBT的结构和原理.docx

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1、何为IGBT?IGBT的结构和原理电的发现是人类历史的革命，由它产生的动能每天都在源源不断的释放，人对电的需求不亚于人类世界的毓气，如果没有电，人类的文明还会在黑暗中探索。然而在电力电子里面,最垂要的一个元件就是您I。没有IGBT就不会有高铁的便捷生活。一说起IGBT,半导体制造的人都以为不就是一个分立器件（PowerDisceret）嘛，都很瞧不上眼。然而他和28mn上眼m笑成电路制造一样,是国家“02专项的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子潺件里技术圾先进的巴坦，已经全面取代了传统的PowerMOSFET,其应用非常广泛，小到家电、大到匕机、舰船、交通,电网等战略性产业，被称为电力电子

2、行业里的“继”，长期以来，该产品（包括芯片）还是被垄断在少数IDM手上（皿工业、Infineon.TOSHIBA）,位居“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中的第二位（简称“02专项”）.k何为IGBT?IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(InSUIaIedGateBipo1.arTransistor),所以它是一个有MoSGate的BJT晶体管。奇怪吧，它到底是MoSFET还是BJT?其实都不是乂都是。不绕圈子了，他就是MOSFET和BJT的组合体。我在前面讲MOSFET和BJT的时候提到过他们的优缺点，MOSFET主要是单一敕流了(多子)导电，而BJT是两种栽流子导电，所以BJT的驱动虫

3、逋会比W)SFET大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSi-ET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗),又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的(Vo11age-Contro1.1.edBipo1.arDevice)。从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600Y以上的变流系统如交潦电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域.2、传统的功率MOSFET为了等下便于理解IGBT,我还是先讲下POWerMOSFET的结构。所谓功率MoS就是要承受大功率,换

4、言之也就是高电床、大电流。我们结合殷的低JkMOSFET来讲解如何改变结构实现迦、大电流.1)高电压：一般的MOSFET如果Drain的高电Jg1.很容易导致罂件击穿，而一般击穿通道就是器件的另外三端(S/G/B),所以要解决高压问题必须堵死这三端。GU1.e端只能靠场氧蛰在GaIe下面隔离与漏的距离(Fie1.d-P1.U1.e),而BUIk端的PN结击穿只能很降低PN结两边的浓度，而最讨厌的是到SOUrCe端，它则需要个长长的漂移区来作为潮极串联蛔分压，使得电压都降在漂移区上就可以/02)大电流：般的MOSFET的沟道长度有Po1.yCD决定，而功率MOSFET的沟道是靠两次扩散的结深差来

5、控制，所以只要PrOeeSS稳定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制“而器件的电流取决TW/1.,所以如果要获得大电流,只需要提高W就可以了。所以上面的POirerMoSFET也叫作1.DMOS(1.atera1.Doub1.ediffusionMOS),虽然这样的器件能够实现大功率要求，可是它依然有它固有的缺点，由于它的源、栅、漏三端都在表面，所以漏极与源极需要拉的很长，太浪费芯片面积。而I1.由于器件在表面则器件与罂件之间如果要并联则发杂性增加而11需要隔离。所以后来发展/VDM()S(Yeriica1.DMOS),把海极统一放到W迪r背面去了，这样漏极和源极的漂移区长度完全可以通过背面

6、减薄来控制，而且这样的结构更利于管子之间的并联结构实现大功率化。但是在BCD的工艺中还是的利用1.DMOS结构，为了与CMOS兼容。再给大家讲一卜VDMOS的发展及演变吧，最早的VDMOS就是直接把1.DMoS的Drain放到了背面通过背面减薄、ImP1.ant、金属蒸发制作出来的(如卜.图)，他就是传说中的P1.anarVDMOS,它和传统的1.DMoS比挑战在于背面工艺。但是它的好处是正面的工艺与传统CMOS工艺兼容，所以它还是有生命力的.但是这种结构的缺点在于它沟道是横在表面的，面枳利用率还是不够.再后来为了克服P1.anarDMOS带来的缺点，所以发展了VMOS和UMOS结构。他们的做

7、怯是在Wafer表面挖一个槽，把管子的沟道从原来的PIanar变成了沿着槽壁的VCrtiCa1,果然是个聪明的想法.但是个馅饼总是会搭配个陷阱Q1.制造总是在不断trade-off),这样的结构天生的缺点是槽太深容易电场集中而导致击穿，而且工艺难度和成本都很高，且槽的底部必须绝对rou(1.i11,否则很容易击穿或者产生应力的品格缺陷。但是它的优点是晶饱数量比原来多很多，所以可以实现更多的晶体管并联，比较适合低电压大电流的app1.ication.还有一个经典的东西叫做CooIMOS,大家自EgoOg1.e学习吧。他应该算是PowerMOS撑电压最高的了,可以到100OVe3、IGBT的结构和

8、原理上面介绍了PowerMOSFET,而IGBT其实本质上还是一个场效应品体管，从结构上看和P。WerMoSFET非常接近,就在背面的漏电极增加了个P+层，我们称之为InjeCtion1.ayer(名字的由来等下说。在上面介绍的POWerMOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET,它依然是单一截流子(多子)导电，所以我们还没有发挥出它的极致性能。所以后来发展出一个新的结构，我们如何能够在PowerMOSFET导通的时候除了MOSFET自己的虹我还能从漏端注入空穴不就可以了吗？所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection1.ayer(这就是名字的由来)，而从结构上漏湍就多了一个P

9、+N-drift的”结，不过他是正偏的，所以它不影响导通反而增加空穴注入效应，所以它的特性就类似BJT了有两种栽潦子参与导电。所以原来的SoUrCe就变成了Emitter,而Drain就变成fCOIIeCtor了。从上面结构以及右边的等效电路图看出，它有两个等效的BJT背靠背链接起来的，它其实就是PNPN的ThyriStor(近曲尊)，这个东西不是我们刻意做的，而是结构生成的.我在5个月前有篇文章讲1.atch-up(ic-另外，这样的结构好处是提高了电流驱动能力，但坏处是当器件关断时，沟道很快关断没有了多子电潦，可是Co1.1.“tor(Drnn)端这边还继续有少子空穴注入，所以整个器件的电

10、流需要慢慢才能关闭(拖尾电流，tai1.ingcurrent),影响了器件的关断时间及工作频率。这个可是开关器件的大忌啊，所以又引入了一个结构在P+与NTrift之间加入N+buffer层,这层的作用就是让案件在关断的时候，从COUeCtor端注入的空穴迅速在N+bufferU就被复合掉提高关断频率，我们称这种结构为PT-IGBT(PunchThrQUgh型)，而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBTo一般情况下，NPT-IGBT比PT1.GBT的VCe(SaI)高,主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少)，而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入较多而导致的三极

11、管基区调制效应明显)，而VCe(Sat)决定了开关损耗(switch1.oss),所以如果需要同样的VCe(Sa1.),则NPT必须要增加drift厚度，所以ROn就增大了。4、IGBT的制造工艺:IGBT的制程正面和标准BCD的1.bMOS没差，只是背面比较难搞：1)背面减薄：一般要求6,8mi1.,这个厚度很难磨容易碎片。2)背面注入:都磨到68mi1.了，还要打HighcurrentP+imp1.antE14的dose,很容易碎片的，必须有专门的设备dedicate。甚至第四代有两次Hi-CU1.TenI注入，更是挑战极限了。3)背面清洗：这个一般的SEZ就可以4)背面金属化：这个只能用

12、金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。5)背面A1.Ioy：主要考虑Wafer太薄了，容易翘曲碎片。5、IGBT的新技术：1)场截止FSTGBT：不管PT还是NPT结构都不能最终满足无限highPOWer的要求,要做到highpower,就必须要降低YCe(SaI),也就是降低Ronn所以必须要降低N-drift厚度，可是这个N-drift厚度又受到截止状态的电场约束(太薄了容易Channe1.穿通)。所以如果要向降低drift厚度，必须要让截止电场到沟道前提前降下来.所以需要在P+injection1.ayerN-drift之间引入一个N+场截止层(Fie1.dStop,FS),当IGBT

13、处于关闭状态，电场在截止层内迅速降低到0,达到终止的目的，所以我们就可以进一步降低N-drift厚度达到降低Ron和VCe了。而且这个结构和N+buffer结构非常类似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制关闭状态下的tai1.ing电流提高关闭速度。问题来了，这和PTTGBT的N+buffer差在哪里？其实之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EP1.做出来的,它是在P+衬底上长第一层10um的N+buffer,然后再长第二JZnOOUm的N-Drift.这个CoSt很高啊!而相比之下的ESTGBT呢，是在NIrFIGBT的基础上直接背面打入而浓度的N+截止层就好了，成本比较低，但是挑战是更

14、薄的厚度卜如何实现不碎片。2)阳极短接(SA:Shorted-Anode):它的结构是N+集电极间歇插入P+集电极，这样N+集电极直接接触场截止层并用作PNq4的阴极，而P+还维续做它的FSTGBT的集电极，它具有增强的电流特性且改变了成本结构，因为不需要共封装反并联二极管了.实脸证明，它可以提高饱和电潦，降低饱和压降C12%),6、IGKT的主要I-V特性:IGBT你既可以把它当做一个MOSEET与EiN二极管串联，也可以当做是一个宽基区的PNP被MOSFET业动（Dar1.ington结构）,前者可以用来理解它的特性，后拧才是他的原理。它看起来就是个MOSFET的IT曲线往后挪了段OO.7

15、V）,因为沟道开后产生电流必须满足漂移区电流与漂移区电阻乘积超过0.7V,才能使得P衬底与NYrif1.的PN结正向导通，这样才可以Work,否则沟道开启也不能WOrk的。最后给大家吹吹牛吧，大家经常会听到第一代IGBT一直到第六代IGBT,这些是什么意思呢？1）第一代：他就是IGBT的雏形，最简单的原理结构图那种，所以他必须要提高N-drif1.来提高耐压，所以导通电阻和关断功耗都比较高，所以没有普及使用。2）第二代：PT-IGBT,由于耗尽层不能穿透N+缓冲层，所以基区电场加强呈梯形分布，所以可以减小芯片厚度从而减小功耗。这主要是瓯1上公司19901995年的产品BSMI5OGB12ODN

16、1（DN1就是第代的意思）。它主要在600V上有优势（类似GTR特性），至U1200V的时候遇到外延厚度大成本高、且可靠性低的问题（掺杂浓度以及厚度的均匀性差）.3）第三代：NPT-IGBT,不再采用外延技术，而是采用离子注入的技术来生成P+集电极（透明集电极技术），可以精准的控制结深而控制发射效率尽可能低，增快我流子抽取速度来降低关断损耗，可以保持基区原有的我流子寿命而不会影响稳态功耗，同时具有正温度系数特点，所以技术比较成熟在稳态损耗和关断损耗间取得了很好的折中，所以被广泛采用“代表公司依然是西门子公司率先采用FZ（区熔法）代替外延的批量产品，代表产品BSM200GB120DN2,VCE1200V,V