聊一聊一種具有雙向阻斷能力的逆阻型IGBT

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逆阻型IGBT簡介

一般情況下，常見的IGBT主要定義的是其正向阻斷電壓，而反向阻斷電壓一般不會在Datasheet中被提及到，這是因為IGBT通常會反并聯(lián)續(xù)流二極管，所以對實際應(yīng)用并沒有什么不良影響，除了由于二極管換流造成的反向電壓過沖的場合外，IGBT的反向阻斷能力不是必需的。但是一些特殊的場合需要IGBT具有雙向阻斷能力，即正向阻斷能力和反向阻斷能力。

傳統(tǒng)的方式是將常規(guī)IGBT與一個可以耐高壓的二極管相串聯(lián)，但是，串聯(lián)的二極管引起通態(tài)壓降的增大，增加了損耗。而RB-IGBT是一種新型的IGBT，具有反向耐壓能力，相對于傳統(tǒng)串聯(lián)二極管的模式，減少器件的同時，還降低了通態(tài)壓降和損耗。兩種模式如下圖所示：

RB-IGBT

傳統(tǒng)IGBT串聯(lián)二極管

常規(guī)IGBT反向耐壓小的原因:

為了折中通態(tài)壓降Von和關(guān)斷損耗Eoff，一般都具有緩沖層以獲得更小的Von和Eoff，由于緩沖層和集電極層的摻雜濃度都很高，同時芯片邊緣由于晶格損傷和應(yīng)力會引起較大的漏電流，所以普通IGBT不具備反向阻斷能力(一般只有40V左右)。

逆阻型絕緣柵雙極型晶體管(ＲB-IGBT) 是一種新型的IGBT器件，它是將IGBT元胞結(jié)構(gòu)與耐高壓的二極管元胞結(jié)構(gòu)集成到同一個芯片上，采用傳統(tǒng)的非穿通型結(jié)構(gòu)，同時在背面和側(cè)面做了改進(jìn)，具備雙向阻斷能力。

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正向耐壓和反向耐壓

正向耐壓：

ＲB-IGBT除終端結(jié)構(gòu)外和傳統(tǒng)的縱向NPT-IGBT基本相同，其有源區(qū)在正面，包括多晶硅柵極、n+發(fā)射區(qū)和p基區(qū)，然后有源區(qū)的下面是n-漂移區(qū)，最后是集電極。當(dāng)集射極之間加正電壓時，由p-基區(qū)和n-漂移區(qū)形成的反偏PN結(jié)來承擔(dān)外部電壓，為了提高擊穿電壓和抑制閂鎖，往往會將發(fā)射極的n+源區(qū)和p-基區(qū)短接。在正向阻斷時，為了提高擊穿電壓和抑制閂鎖，一定的終端技術(shù)是必要的，比較常見的有兩種：在p-基區(qū)旁加浮空場環(huán)和場板技術(shù)，其他的技術(shù)還包括結(jié)終端擴展、斜角邊緣終端技術(shù)等。下圖是加浮空場環(huán)的情況：

雖然方法不同，但都是為了防止電場的局部集中而在終端區(qū)域發(fā)生雪崩擊穿。由于比較厚的n-漂移區(qū)和出色的正面終端，使得器件具有很高的正向耐壓能力。

反向耐壓

NPT-IGBT 結(jié)構(gòu)雖然沒有緩沖層，但是它的反向阻斷能力依然很差，因為芯片的尺寸是有限的，在切割芯片時，如果切割線穿過了承受高壓的pn結(jié)，晶格損傷和應(yīng)力會引起很大的反向漏電流，導(dǎo)致?lián)舸╇妷汉烷L期穩(wěn)定性的降低。早期的反向終端采用的是臺面刻蝕技術(shù)，通過重?fù)诫s(p+)的集電極和低摻雜(n-) 的漂移區(qū)形成的pn結(jié)和深槽的正斜角來阻斷反向電壓，這種深溝槽將有晶格損傷的表面隔離，因而沒有形成很大的漏電流?？傊?，RB-IGBT是在NPT-IGBT的基礎(chǔ)上，通過特有的終端技術(shù)和摻雜技術(shù)來，減小漏電流，同時形成反偏的PN結(jié)來提高擊穿電壓，相當(dāng)于串聯(lián)了一個耐高壓的二極管，使得IGBT具有反向耐壓能力。都是利用PN結(jié)來隔離晶格損傷的表面。

反向耐壓時的一種終端結(jié)構(gòu)(擴散結(jié)隔離終端)

常見的RB-IGBT的隔離技術(shù)：

①臺面刻蝕隔離(物理刻蝕隔離)

②擴散隔離技術(shù)(PN結(jié)隔離)

③溝槽隔離技術(shù)(PN結(jié)隔離)

④V(凹)槽隔離技術(shù)(PN結(jié)隔離)

⑤混合隔離技術(shù)(擴散和凹槽刻蝕相結(jié)合，PN結(jié)隔離)

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部分電特性

電子輻射減少載流子壽命

RB-IGBT具備雙向阻斷能力，應(yīng)用在電路中需要兩個器件反向并聯(lián)，在關(guān)斷的時候，需要有快恢復(fù)二極管的工作方式。由于RB-IGBT采用的是NPT-IGBT結(jié)構(gòu)，所以，n-漂移區(qū)的載流子壽命相對較高，工作在FRD關(guān)斷時，具有很大的dI/dt和較長的拖尾電流，造成較大的損耗，為了克服這個問題，一般需要電子輻照來減小載流子的壽命。雖然增大電子輻射劑量，可以減小關(guān)斷損耗E(off)和反向恢復(fù)損耗E(rec)，但是同時增大大通態(tài)壓降，而造成通態(tài)損耗的增加，故需要注意輻照劑量的控制。

柵電壓的影響

加?xùn)艍汉筒患訓(xùn)艍合碌姆聪蚵╇娏骱蛽舸╇妷旱膶Ρ?，可見，加?xùn)艍?，可以有效地減小反向漏電流，增大反向耐壓。

綜上，算是簡單地介紹了逆阻型IGBT(ReverseBlocking-IGBT)的相關(guān)知識，沒有很詳細(xì)，畢竟對于任何一個元器，可以從很多方面來認(rèn)識，只有在實踐中才能慢慢地理解和體會。目前，很多會用到RB-IGBT，主要有矩陣變換器、中點箝位拓?fù)浜蚑型變換器等。目前英飛凌、富士、三菱都有自己地RB-IGBT的產(chǎn)品，大家有興趣可以去了解下。