很多讀者要求介紹一下IGBT內(nèi)容，這期就論述IGBT基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)及特點，下一篇回到MOSFET，介紹完MOSFET相關(guān)內(nèi)容后，再進一步介紹IGBT的數(shù)據(jù)表。 我們的工程師經(jīng)常會問到： 穿透型、非穿透型IGBT，這里的"穿透"、"非穿透"是什么含義？IGBT具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如穿透型、非穿透型和現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的場截止型，以及平面柵結(jié)構(gòu)發(fā)展到溝槽柵結(jié)構(gòu)，這些不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的IGBT，具有不同的特性，因此也對應(yīng)著不同的應(yīng)用要求。 本文將詳細的介紹這些不同的結(jié)構(gòu)，同時，論述這些結(jié)構(gòu)的特性，增強對IGBT的認(rèn)知感，從而正確的區(qū)別和選取不同的結(jié)構(gòu)的IGBT，滿足實際應(yīng)用的要求。 1 平面型IGBT的結(jié)構(gòu) 功率MOSFET是N、P、N三層的結(jié)構(gòu)，從圖1可以看到，IGBT是N、P、N、P四層的結(jié)構(gòu)，相對于功率MOSFET，下面多了一層P，因此，IGBT可以看作是一個小的控制MOSFET和一個大電流的三極管并聯(lián)，同時，MOSFET的D極通過一個二極管連接到C極。 圖1：平面型高壓IGBT結(jié)構(gòu) 當(dāng)G極上加電壓時，和功率MOSFET的工作原理一樣，在G極下面P變成N，形成反型層，從而形成電流流通的溝道，內(nèi)部的MOSFET就導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通后，就將三極管的B極拉到地，從而將三極管導(dǎo)通，整個IGBT開通，開始工作。關(guān)斷的過程如之類似。可以看到，IGBT相當(dāng)于將絕緣柵簡單的電壓制特性與雙極三極管器件的強大導(dǎo)電能力結(jié)合起來，因此，具有二者的優(yōu)點。 圖2：高壓IGBT工作原理 背面的P區(qū)為IGBT的集電極，P區(qū)命名為集電區(qū)是為了在電路應(yīng)用上與BJT 的符號標(biāo)記取得一致，但在器件物理上，實際為寄生 PNP 的發(fā)射區(qū)，因此，又稱為背發(fā)射區(qū)。 平面型IGBT有三種常用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：穿通型PT: Punch Through，非穿通型NPT: Non Punch Through，場截止型FS: Field Stop，如圖3所示。下面分別介紹這三種結(jié)構(gòu)及其特點。 (a)穿通PT型 (b)非穿通NPT型 (c)場終止FS型 圖3：平面型高壓IGBT結(jié)構(gòu) 1.1 平面穿通型IGBT結(jié)構(gòu)及特點 穿通型是最早的一種結(jié)構(gòu)，在制作這種結(jié)構(gòu)的IGBT時，先以P型的襯底為基礎(chǔ)，在P上依次通過生長的方式制作N緩沖層、N外延層，然后再制作內(nèi)部的體P型區(qū)（Body P）和N型發(fā)射極區(qū)。這種工藝的過程是先制作三極管，然后再制作MOSFET。 可以看到，對于穿通型結(jié)構(gòu)，由于襯底的厚度大，為了減小導(dǎo)通壓降，必須在襯底P區(qū)采用重?fù)诫s，高的注入效率，可以保證低的導(dǎo)通壓降，但是，容易形成過剩的載流子，從而減慢關(guān)斷的速度，形成大的電流拖尾，產(chǎn)生大的開關(guān)損耗。 少子的壽命越長，擴散長度就越大。在三極管中，為了保證少數(shù)載流子在基區(qū)的復(fù)合盡量少，以獲得較大的電流放大系數(shù)和通過電流的能力，這樣，必須把基區(qū)寬度縮短到少數(shù)載流子的擴散長度以下，因此，要求基區(qū)的少數(shù)載流子壽命越長越好。 在這種結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部的二個P區(qū)中間的N區(qū)，是三極管的基極區(qū)，為了減小導(dǎo)通的壓降，通常，N型基極區(qū)不能使用太大的厚度。P區(qū)的少子是電子，當(dāng)N型的基極區(qū)厚度較小時，內(nèi)部的體P區(qū)的少子，可以穿過整個的N型的基極區(qū)，進入到集電極的P區(qū)，這樣，雖然減小了N型的基極區(qū)導(dǎo)通壓降，但是，在關(guān)斷的過程中，這些少子就容易形成更大的電流拖尾，顯著的增大了開關(guān)損耗。因此，通常利用制作中間緩沖層可以減小N型基極區(qū)（高阻區(qū)）的厚度以及輻射照射的方法，改善導(dǎo)通壓降VCES、電流拖尾和開關(guān)時間。 正因為內(nèi)部的體P區(qū)的少子，可以穿過N型的基極區(qū)，進入到P型的集電極區(qū)，所以，這種結(jié)構(gòu)稱為穿通型結(jié)構(gòu)。 圖4：穿通型結(jié)構(gòu) 集電結(jié)，也就是背發(fā)射結(jié)，具有重的摻雜濃度和高的注入效率，高的發(fā)射效率導(dǎo)致大量的空穴迅速從背面注入到N型基極區(qū)，電子流過表面反型溝道也注入到N型基極區(qū)，在基區(qū)形成強的的電導(dǎo)調(diào)制，得到較低的導(dǎo)通壓降。但是，器件關(guān)斷時，電子難以從背面的P型集電極區(qū)流出，幾乎只能在N型基極區(qū)，依靠自身復(fù)合消而失，因此，這種結(jié)構(gòu)的集電極區(qū)對電子而言，是非透明的，也就是關(guān)斷時，IGBT的集電極無法抽取過剩載流子，產(chǎn)生電流拖尾，延緩器件關(guān)斷，增大開關(guān)損耗，所以，穿通型結(jié)構(gòu)的集電極也稱非透明集電極。 為了解決上述問題，降低載流子壽命，只有依靠輻照技術(shù)。輻照工藝可能控制少子壽命，雖然可以減小電流的拖尾，但是，輻照導(dǎo)致IGBT的飽和導(dǎo)通電壓VCES是負(fù)溫度系數(shù)，不能并聯(lián)工作，限制了在一些大功率系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時，VCES的負(fù)溫度系數(shù)特性，也容易導(dǎo)致內(nèi)部寄生的晶閘管發(fā)生電閂鎖效應(yīng)，從而損壞IGBT。 由于少子壽命短，P型集電區(qū)的濃度高，內(nèi)部的PNP晶體管增益大，溫度升高時，少子壽命和內(nèi)部晶體管的增益也隨之增大，導(dǎo)致注入N型基極區(qū)的正電荷不斷增加，關(guān)斷速度減慢，開關(guān)損耗增大，同時，雪崩擊穿電壓也降低。 此外，這種結(jié)構(gòu)的硅片的厚度大，因此熱阻大，散熱性能差。但是，這種結(jié)構(gòu)只需要簡單的外延生長，因此工藝過程簡單，硅片的厚度大，加工制作的過程也比較容易控制。 1.2 平面非穿通型IGBT結(jié)構(gòu)及特點 非穿通型IGBT是先制作MOSFET，再制作三極管，工藝過程就是先以N型的外延層作基礎(chǔ)，在上面依次制作內(nèi)部的體P型區(qū)和N型發(fā)射極區(qū)，也就是制作出MOSFET，然后，將硅片反過來，將硅片打磨、減薄，再用等離子注入的方式，在背面制作出非常薄的P型集電極區(qū)。 由于P型集電極區(qū)是在工藝的最后階段采用等離子注入的方式制作，而且厚度非常小，因此，可以采用精確的控制的低摻雜注入，合適的注入效率，可以精確的控制并保證合適的導(dǎo)通壓降，低摻雜使漂移區(qū)無法產(chǎn)生過剩的載滾子，因此，減小電流拖尾，開關(guān)損耗小，形狀速度快，可以工作在更高的工作頻率。 由于P型的集電極非常薄，在保證合適的飽和導(dǎo)通電壓的前提下，可以增大內(nèi)部的N型基極區(qū)的厚度，來保證要求的耐壓值。N型基極區(qū)的厚度較寬，大于P區(qū)少子可以穿越的能力，就可以極大的減小的電流的拖尾和關(guān)斷損耗，從而進一步提高這種結(jié)構(gòu)的工作頻率。正因為這個原因，這種結(jié)構(gòu)也稱為非穿通型結(jié)構(gòu)。 圖5：非穿通型結(jié)構(gòu) 內(nèi)部N型基極區(qū)的厚度大，飽和導(dǎo)通壓降增大，導(dǎo)通損耗也增大。但是，寬的N型基極區(qū)、低的集電區(qū)摻雜濃度以及長的少子壽命，可以減小內(nèi)部的PNP晶體管的增益，同時，溫度升高時，少子壽命和晶體管的增益隨溫度變化幅度小，因此，這種結(jié)構(gòu)的溫度特性非常穩(wěn)定，雪崩擊穿電壓穩(wěn)定，抗短路及二次雪崩的能力也較強。少子壽命長，器件具有由遷移率決定的電壓正溫度系數(shù)，不需要輻照工序控制少子壽命，所以，這種結(jié)構(gòu)的IGBT的VCES是正溫度系數(shù)，可以并聯(lián)工作，實現(xiàn)電流均流，擴大功率應(yīng)用的范圍。而且，具有較小的晶閘管鎖定效應(yīng)，可靠性高。 集電極的摻雜濃度低，厚度薄，注入效率偏低，關(guān)斷時，流過集電極的電流中電子流占主導(dǎo)，基區(qū)的大量過剩電子，可以以擴散流的方式，穿透極薄的集電區(qū)快速流出，電流拖尾小，開關(guān)損耗小，實現(xiàn)快速關(guān)斷，所以，非穿通型結(jié)構(gòu)的集電極也稱透明集電極。 對于雪崩能力UIS，通常，不考慮自身發(fā)熱，二者基本相同；如果考慮自身發(fā)熱，PT遠低于NPT ，因為NPT型具有更低的損耗，溫升更小。 這種結(jié)構(gòu)的硅片的厚度小，因此熱阻小，同樣的規(guī)格，非穿透型比穿透型的熱阻要低40%，散熱性大大的提高。但是，在生產(chǎn)的過程中，這種結(jié)構(gòu)需要進行背面減薄，然后再進行光刻、刻蝕、離子注入、退火、表面金屬化和鈍化等一系列的工藝，容易發(fā)生碎片和彎曲問題，制造的工藝過程復(fù)雜，不容易控制，成本高，成品率低。 1.3 平面場截止型IGBT結(jié)構(gòu)及特點 非穿通型IGBT內(nèi)部，具有較寬的N型基極區(qū)，這個區(qū)的厚度影響IGBT的耐壓，通常，這個區(qū)的的外延生長采用等濃度的摻雜工藝，從電場的分布來看，關(guān)斷期間，從N型基極區(qū)到整個襯底，由最大值線性下降到0，這種三角形電場分布，對應(yīng)著較差的、最浪費硅片厚度的均勻的摻雜濃度分布，即，導(dǎo)通狀態(tài)下，N型基極區(qū)的內(nèi)部電阻相當(dāng)大。如果降低N型基極區(qū)的電阻，調(diào)整摻雜濃度，則會影響器件其它性能，如耐壓值。因此，在這種結(jié)構(gòu)中，N型基極區(qū)的厚度是影響飽和導(dǎo)通壓降VCES的主要因素。改進的方法是改變內(nèi)部電場的分布，將三角形的電場分布，改變?yōu)樘菪坞妶龇植?，這樣，在保證耐壓等參數(shù)的前提下，可以降低N型基極區(qū)的厚度，從而極大的降低導(dǎo)通壓降，如圖6所示。 這種結(jié)構(gòu)前面的工序和非穿通型一樣，不同之處在于，當(dāng)背面減薄后，先制作一層重?fù)诫s的N型電場截止層，對應(yīng)著相同規(guī)格，場截止層的摻雜濃度等于非穿通型減小的N型基極區(qū)厚度的摻雜濃度的總和。也就是它們在N型基極區(qū)的摻雜總量一定，單位面積下，摻雜濃度沿厚度方向的積分總和相等。但是，非穿通型IGBT分布在更寬的區(qū)域，而場截止型將非穿通型內(nèi)部大部分的N型基極區(qū)的摻雜濃度，壓縮在非常窄的場截止層。電場強度在場截止層中快速的下降到到0，場截止層的尺寸非常小，N型基極區(qū)的電場強度降低的值可以忽略，因此，電場的阻斷能力和N型基極區(qū)厚度關(guān)系不大，可以采用薄的N型基極區(qū)襯底，飽和壓降低，導(dǎo)通損耗小，關(guān)斷速度更快，基本無電流拖尾，開關(guān)損耗小。 由于中間增加一個電場截止層，因此，這種結(jié)構(gòu)稱為場截止型結(jié)構(gòu)。 (a) 非穿通NPT型 (b) 場截止FS型(a) 圖6：非穿通和場截止型內(nèi)部電場分布 場截止型結(jié)構(gòu)具有非穿透型的優(yōu)點，如低的電流拖尾、高的開關(guān)速度、VCES正溫度系數(shù)和優(yōu)異的高溫特性，同時，它也具有穿透型低的飽和壓降的特點。但是，這種結(jié)構(gòu)的硅片更薄，加工的難度更大。 下面給出了二個表，同樣的規(guī)格，對應(yīng)著不同結(jié)構(gòu)時，內(nèi)部的工藝尺寸。可以看到，NPT和FS的硅片的總厚度比PT減小一半以上，最主要的差別在于集電極，NPT和FS的集電極的尺寸都非常小。和上面討論的一樣，NPT的基極區(qū)的尺寸遠大于PT型，但FS的通過中間加入尺寸非常小的電場截止層，進一步減小硅片厚度。 表1：1200V IGBT內(nèi)部尺寸