詳細的介紹IGBT的結構及應用特點，收藏以后用得上資料下載

很多讀者要求介紹一下IGBT內容，這期就論述IGBT基礎：結構及特點，下一篇回到MOSFET，介紹完MOSFET相關內容后，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具有不同的內部結構，如穿透型、非穿透型和現(xiàn)在廣泛應用的場截止型，以及平面柵結構發(fā)展到溝槽柵結構，這些不同的內部結構的IGBT，具有不同的特性，因此也對應著不同的應用要求。 本文將詳細的介紹這些不同的結構，同時，論述這些結構的特性，增強對IGBT的認知感，從而正確的區(qū)別和選取不同的結構的IGBT，滿足實際應用的要求。 1 平面型IGBT的結構 功率MOSFET是N、P、N三層的結構，從圖1可以看到，IGBT是N、P、N、P四層的結構，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結構 當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，內部的MOSFET就導通。當MOSFET導通后，就將三極管的B極拉到地，從而將三極管導通，整個IGBT開通，開始工作。關斷的過程如之類似。可以看到，IGBT相當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電能力結合起來，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)是為了在電路應用上與BJT 的符號標記取得一致，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有三種常用的內部結構：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構及其特點。 (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結構 1.1 平面穿通型IGBT結構及特點 穿通型是最早的一種結構，在制作這種結構的IGBT時，先以P型的襯底為基礎，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，對于穿通型結構，由于襯底的厚度大，為了減小導通壓降，必須在襯底P區(qū)采用重摻雜，高的注入效率，可以保證低的導通壓降，但是，容易形成過剩的載流子，從而減慢關斷的速度，形成大的電流拖尾，產(chǎn)生大的開關損耗。 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。 在這種結構中，內部的二個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N型的基極區(qū)厚度較小時，內部的體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)導通壓降，但是，在關斷的過程中，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，改善導通壓降VCES、電流拖尾和開關時間。 正因為內部的體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，這種結構稱為穿通型結構。 圖4：穿通型結構 集電結，也就是背發(fā)射結，具有重的摻雜濃度和高的注入效率，高的發(fā)射效率導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)形成強的的電導調制，得到較低的導通壓降。但是，器件關斷時，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)，依靠自身復合消而失，因此，這種結構的集電極區(qū)對電子而言，是非透明的，也就是關斷時，IGBT的集電極無法抽取過剩載流子，產(chǎn)生電流拖尾，延緩器件關斷，增大開關損耗，所以，穿通型結構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。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，輻照導致IGBT的飽和導通電壓VCES是負溫度系數(shù)，不能并聯(lián)工作，限制了在一些大功率系統(tǒng)中的應用。同時，VCES的負溫度系數(shù)特性，也容易導致內部寄生的晶閘管發(fā)生電閂鎖效應，從而損壞IGBT。 由于少子壽命短，P型集電區(qū)的濃度高，內部的PNP晶體管增益大，溫度升高時，少子壽命和內部晶體管的增益也隨之增大，導致注入N型基極區(qū)的正電荷不斷增加，關斷速度減慢，開關損耗增大，同時，雪崩擊穿電壓也降低。 此外，這種結構的硅片的厚度大，因此熱阻大，散熱性能差。但是，這種結構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結構及特點 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，在上面依次制作內部的體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通電壓的前提下，可以增大內部的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斷損耗，從而進一步提高這種結構的工作頻率。正因為這個原因，這種結構也稱為非穿通型結構。 圖5：非穿通型結構 內部N型基極區(qū)的厚度大，飽和導通壓降增大，導通損耗也增大。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，這種結構的溫度特性非常穩(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，這種結構的IGBT的VCES是正溫度系數(shù)，可以并聯(lián)工作，實現(xiàn)電流均流，擴大功率應用的范圍。而且，具有較小的晶閘管鎖定效應，可靠性高。 集電極的摻雜濃度低，厚度薄，注入效率偏低，關斷時，流過集電極的電流中電子流占主導，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，開關損耗小，實現(xiàn)快速關斷，所以，非穿通型結構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。 這種結構的硅片的厚度小，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，這種結構需要進行背面減薄，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，制造的工藝過程復雜，不容易控制，成本高，成品率低。 1.3 平面場截止型IGBT結構及特點 非穿通型IGBT內部，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，對應著較差的、最浪費硅片厚度的均勻的摻雜濃度分布，即，導通狀態(tài)下，N型基極區(qū)的內部電阻相當大。如果降低N型基極區(qū)的電阻，調整摻雜濃度，則會影響器件其它性能，如耐壓值。因此，在這種結構中，N型基極區(qū)的厚度是影響飽和導通壓降VCES的主要因素。改進的方法是改變內部電場的分布，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，從而極大的降低導通壓降，如圖6所示。 這種結構前面的工序和非穿通型一樣，不同之處在于，當背面減薄后，先制作一層重摻雜的N型電場截止層，對應著相同規(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)厚度關系不大，可以采用薄的N型基極區(qū)襯底，飽和壓降低，導通損耗小，關斷速度更快，基本無電流拖尾，開關損耗小。 由于中間增加一個電場截止層，因此，這種結構稱為場截止型結構。 (a) 非穿通NPT型 (b) 場截止FS型(a) 圖6：非穿通和場截止型內部電場分布 場截止型結構具有非穿透型的優(yōu)點，如低的電流拖尾、高的開關速度、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，這種結構的硅片更薄，加工的難度更大。 下面給出了二個表，同樣的規(guī)格，對應著不同結構時，內部的工藝尺寸。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內部尺寸