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1．前言 在绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)得到大力发展以前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点；但是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺陷。双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性，虽然可以得到高耐压、大容量的元件；但是它要求的驱动电流大，控制电路非常复杂，而且交换速度不够快。 IGBT正是作为顺应这种要求而开发的，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内。基于这些优异的特性，IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中，模块化的IGBT可以满足更高的电流传导要求，其应用领域不断提高，今后将有更大的发展。 2．IGBT构造与特性 IGBT是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件，是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，性能上也是结合了MOSFET和双极型功率晶体管的优点。N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态压降。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。  IGBT是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成，它实际是以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合管。IGBT除了内含PNP晶体管结构，还有NPN晶体管结构，该NPN晶体管通过将其基极与发射极短接至MOSFET的源极金属端使之关断。IGBT的4层PNPN结构，内含的PNP与NPN晶体管形成了一个可控硅的结构，有可能会造成IGBT的擎柱效应。IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中（感性负载）需要搭配适当的快恢复二极管。 IGBT的理想等效电路及实际等效如图所示：  IGBT的理想等效电路及实际等效电路 由等效电路可将IGBT作为是对PNP双极晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。 因此，在门极-发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，PNP晶体管的基极-集电极就连接上了低电阻，从而使PNP晶体管处于导通状态，由于通过在漏极上追加p+层，在导通状态下从p+层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。 此后，使门极-发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，PNP晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。 如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和关断动作。 3．穿通型(PT) & 非穿通型(NPT)&场中止型(FS)IGBT PT-IGBT在数百微米厚的P+单晶衬底与N-漂移耐压层之间添加了N+缓冲层，外延层上制造复杂的正面结构。N+缓冲层通过减少少数载流子的注入及提高开关过程中的复合速度，可以提高IGBT的关断速度。此外擎柱效应也得到了改善，减少了PNP晶体管的增益。但是，会造成通态压降增加。不过，N-漂移区的厚度可以减小并保持相同的正向电压阻断能力，因为N+缓冲层可以提高正向电压阻断能力，从而降低通态压降。因此，PT-IGBT相对于NPT-IGBT具有优越的开关速度和正向压降折衷特性。PT-IGBT的导通压降VCEsat具有负温度系数，热电正反馈效应很容易使电流集中，诱发二次击穿，器件高温稳定性差，不利于并联工作。 高压NPT-IGBT采用N-型单晶为起始材料，单晶衬底上直接制造正面复杂的结构，结构完成后，从衬底背面采用研磨、腐蚀的方法减薄到耐压所需的厚度，之后很薄的P+集电区通过离子注入形成，掺杂浓度较低，对少子电子是透明的，主要（约70%）电子流形式的电流通过集电结。器件关断时，漂移区存储的大量过剩电子通过透明集电区能迅速流出，而空穴本来就能顺利流向发射极。因此NPT-IGBT不需要载流子寿命控制就能实现快速关断。漂移区载流子寿命足够长，通态压降VCEsat具有正温度系数。 FS-IGBT是通过在传统的NPT-IGBT的衬底区和集电区之间加入一个n型掺杂附加层实现，这个附加层被称为电场中止（fieldstop）层。一般衬底厚度是标志通态损耗大小的参数—饱和电压VCEsat的主要决定因素。衬底越厚，饱和电压越大。传统的NPT-IGBT以较厚硅片为基本，1200V耐压IGBT大概200微米厚。从图中电场强度分布曲线可看出，在关断期间整个衬底中电场强度线性下降，最后到零。这种电场分布对应的掺杂浓度分布（均匀分布）是一种很差的分布，它意味着导通状态下衬底的内部电阻相当大。若为了降低电阻调整衬底掺杂浓度则会对器件其他参数带来不利影响。而FS-IGBT电场中止层的掺杂总剂量设计为能使电场强度在这一层中基本降低为零。就是说该层以下衬底中电场强度的降低可以忽略，因而，IGBT的电压阻断能力与衬底厚度不再有关系，可以研磨的更薄。使IGBT具有很低的饱和电压，从而有很低的通态损耗。 传统的NPT-IGBT和Fieldstop IGBT在关断状态的剖面和电场分布 4．IGBT工作原理 IGBT导通过程：当N沟道类型的 IGBT处在正向阻断模式时，通过栅极-发射极间施加阀值电压VTH以上的(正)电压，在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道)，发射极电极下的n-层电子开始注入沟道，该电子为PNP晶体管的少数载流子，若此时集电极与发射极电压在0.7V以上，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制(双极工作)，所以可以使集电极-发射极间饱和电压降低。基片的应用在管体的P+衬底和N+漂移区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗， 并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流);空穴电流(双极)。UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。 IGBT关断过程：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，反型层无法维持，沟道被禁止，供应到N-漂移区的电子流被阻断，没有空穴注入N-区内。关断过程开始，但是关断不能迅速完成。MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为正向传导过程中的N-漂移区被注入少数空穴载流子。换向开始后，由于沟道电子流的中止，集电极的电流急剧降低，然后在N-层内还存在少数的载流子(少子)进行复合，集电极电流再逐渐降低。这种拖尾电流的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度有关。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，会引起以下问题：功耗升高;交叉导通问题，特别是在使用 续流二极管的设备上，问题更加明显。www.mosigbt.com |
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