IGBT是啥？看完这篇文章我不信你还不明白
IGBT是啥？看完这篇文章我不信你还不明白
本文来源：小桂 EETOP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氧气，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，最重要的一个元件就是IGBT。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(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样，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器件里技术最先进的产品，已经全面取代了传统的Power MOSFET，其应用非常广泛，小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的“CPU”，长期以来，该产品（包括芯片）还是被垄断在少数IDM手上(FairChild、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”）。究竟IGBT是何方神圣？让我们一起来学习它的理论吧。1、何为IGBT？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管。奇怪吧，它到底是MOSFET还是BJT？其实都不是又都是。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主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱
动电流会比MOSFET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MOSFET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
(Voltage-Controlled Bipolar
Device)。从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、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为了等一下便于理解IGBT，我还是先讲下Power MOSFET的结构。所谓功率MOS就是要承受大功率，换言之也就是高电压、大电流。我们结合一般的低压MOSFET来讲解如何改变结构实现高压、大电流。1)高电压：一般的MOSFET如果Drain的高电压，很容易导致器件击穿，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。Gate端只能靠场氧垫在Gate下面隔离与漏的距离(Field-Plate)，而Bulk端的PN结击穿只能靠降低PN结两边的浓度，而最讨厌的是到Source端，它则需要一个长长的漂移区来作为漏极串联电阻分压，使得电压都降在漂移区上就可以了。2) 大电流：一般的MOSFET的沟道长度有Poly CD决定，而功率MOSFET的沟道是靠两次扩散的结深差来控制，所以只要process稳定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的电流取决于W/L，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Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。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。而且由于器件在表面则器件与器件之间如果要并联则复杂性增加而且需要隔离。所以后来发展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏极统一放到Wafer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LDMOS结构，为了与CMOS兼容。再给大家讲一下VDMOS的发展及演变吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通过背面减薄、Implant、金属蒸发制作出来的(如下图)，他就是传说中的Planar
VDMOS，它和传统的LDMOS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，面积利用率还是不够高。再后来为了克服Planar DMOS带来的缺点，所以发展了VMOS和UMOS结构。他们的做法是在Wafer表面挖一个槽，把管子的沟道从原来的Planar变成了沿着槽壁的
vertical，果然是个聪明的想法。但是一个馅饼总是会搭配一个陷阱(IC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rouding，否则很容易击穿或者产生应力的晶格缺陷。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application。还有一个经典的东西叫做CoolMOS，大家自己google学习吧。他应该算是Power MOS撑电压最高的了，可以到1000V。3、IGBT的结构和原理上面介绍了Power MOSFET，而IGBT其实本质上还是一个场效应晶体管，从结构上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏电极增加了一个P 层，我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET，它依然是单一载流子(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Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子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injection layer
(这就是名字的由来)，而从结构上漏端就多了一个P /N-drift的PN结，不过他是正偏的，所以它不影响导通反而增加了空穴注入效应，所以它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电。所以原来的source就变成了Emitter，而Drain就变成了Collector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(晶闸管)，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Latch-up(/?p=511)就说了，这样的结构最要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs，只要满足α1 α2&1就可以了。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流，可是Collector (Drain)端这边还继续有少子空穴注入，所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current)，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N-drift之间加入N buffer层，这一层的作用就是让器件在关断的时候，从Collector端注入的空穴迅速在N
buffer层就被复合掉提高关断频率，我们称这种结构为PT-IGBT (Punch Through型)，而原来没有带N buffer的则为NPT-IGBT。一般情况下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)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管基区调制效应明显)，而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss)，所以如果需要同样的Vce(sat)，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LDMOS没差，只是背面比较难搞：1) 背面减薄：一般要求6~8mil，这个厚度很难磨了，容易碎片。2) 背面注入：都磨到6~8mil了，还要打High current P
implant &E14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-current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：这个只能用金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。5) 背面Alloy：主要考虑wafer太薄了，容易翘曲碎片。5、IGBT的新技术：1) 场截止FS-IGBT：不管PT还是NPT结
构都不能最终满足无限high power的要求，要做到high
power，就必须要降低Vce(sat)，也就是降低Ron。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channel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
layer与N-drift之间引入一个N 场截止层(Field Stop,
FS)，当IGBT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tailing电流提高关闭速度。问题来了，这和PT-IGBT的N
buffer差在哪里？其实之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EPI做出来的，它是在P
衬底上长第一层~10um的N
buffer，然后再长第二层~100um的N-Drift。这个cost很高啊！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基础上直接背面
打入高浓度的N 截止层就好了，成本比较低，但是挑战是更薄的厚度下如何实现不碎片。 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PN二极管的阴极，而P 还继续做它的FS-IGBT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。实验证明，它可以提高饱和电流，降低饱和压降(~12%)。6、IGBT的主要I-V特性：IGBT你既可以把它当做一个MOSFET与PiN二极管串联，也可以当做是一个宽基区的PNP被MOSFET驱动(Darlington结构)，
前者可以用来理解它的特性，后者才是他的原理。它看起来就是一个MOSFET的I-V曲线往后挪了一段(&0.7V)，因为沟道开启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N-drift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-drift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。这主要是西门子公司年的产品BSM150GB120DN1('DN1'就是第一代的意思)。它主要在600V上有优势(类似GTR特性)，到1200V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，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，可以保持基区原有的载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，VCE&1200V, Vce(sat)=2.1V。4)第四代：Trench-IGBT，最大的改进是采用Trench结构，是的沟道从表面跑到了垂直面上，所以基区的PIN效应增强，栅极附近载流子浓度增大，从而提高了电导调制效应减小了导通电阻，同时由于沟道不在表面，所以消除了JFET效应，所以栅极密度增加不受限制，而且在第四代IGBT继续沿用了第三代的集电极P implant技术同时加入了第二代的PT技术作为场终止层，有效特高耐压能力等。需要使用双注入技术，难度较大。这个时候是英飞凌的时代
了，Infineon的减薄技术世界第一，它的厚度在1200V的时候可以降低到120um~140um(NPT-IGBT需要200um)，甚至在600V可以降低到70um。5)第五代：FS-IGBT和第六代的FS-Trench，第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构，并以新的面貌出现。目前我国的总体能源利用效率为33%左右，比发达国家低约10个百分点。当前我国节能工作面临较大压力。根据“十一五规划”要求，到2010年中国的能源使用效率将在2005年基础上提高20%。在新能源领域，中国已成为太阳能电池生产的第一大国，风力发电的累计装机容量也连续4年实现翻番，这意味着中国新能源市场蕴藏着巨大的商机。无论是太阳能电池、风力发电还是新能源汽车，其系统应用都需要把直流电转换为交流电，承担这一任务的部件称为逆变器。逆变器的核心器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，也是价格最高的部件之一，在国外，IGBT技术及产品不断更新换代，而我国目前还不具备大批量生产IGBT的能力，主要都是珠海南车、北车生产的用于高铁的IGBT技术，还有华润微电子(想收购Fairchild)，还有华宏宏力貌似也有，现在国家重点扶持8寸的IGBT技术。(来源：芯苑网）
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二极管+IGBT：新架构能带来什么新应用？
技术特点：本文引用地址：逆向导通型将和集成在同一个晶片里节省空间，价格低175度的结温，EMI效果良好应用领域：洗衣机、洗碗器、吸尘器、空调、冰箱的压缩机、伺服驱动、风扇由于现在经济的快速发展，能源的消耗也是急剧增加，我们如何去减少能源的损耗做到节能减排?这就要求我们的产品有一个更高的效率，更低的成本。而对于一个高性能的系统来说，半导体器件的选择尤为重要。今天我给大家介绍的就是英飞凌一个新的逆向导通型。我们知道传统的IGBT，和IGBT是分开的两个晶圆，而这一款新的逆向导通型IGBT是将和IGBT集成在同一个晶圆上面，它们有相同的电流等级。新的逆向导通型IGBT引用了哪些技术呢?首先的话，它引入了场终止技术，也就是它大大的减小了晶圆的厚度，使它有一个非常低的饱和导通压降，从而提高了整体的效率。第二点是引入了一个沟道栅技术，进一步减少了饱和导通压降，因为饱和导通压降是由载流子的浓度来决定，而引入沟道栅相当于为载流子引入了一个通道，使它的饱和导通压将进一步减小，从而减小导通损耗。第三是引用了一个逆向导通型二极管，将这个二极管集成在IGBT里面可以大大减少它的体积。目前这种逆向导通型IGBT有两种封装形势，一种是IPAK封装，另外是DPAK封装，电流有4安、6安、10安和15安四个等级。它主要的特点就是有非常低的价格，还有节省空间。半导体器件它的成本主要取决于两个方面，一个是它的晶圆，减少晶圆的数量，从两个晶圆减少到一个晶圆可以减少成本。另外的话，这种T0220的封装还有这种D2PARK封装可以减少成IPARK封装和DPARK封装，同时减少封装的成本，减少了封装的话同样会减少它的空间，但是减少了晶圆的话会不会对它的性能造成影响?首先我们来看一下，同样它有一个非常低的饱和导通压降，对它的性能丝毫没有任何影响。另外可以通过改变门级驱动电阻，在宽范围调节它的开通和关断的时间，有一个非常好的EMI效果，非常平滑的开关波形，5us的短路保护能力，最高结温可以达到175度。这个是这种逆向导通型IGBT的主要参数，这个是它的击穿电压，这个是它的电流，这是175度饱和导通压降，这是开关的能力，这是短路保护的能力，这是它的门级驱动电压，基本上对于一个200W的产品可以选择4安的IGBT，600W的话可以选择一个6安的，1000W可以选择一个10安的，1500W的可以选择15W的产品。从功率密度来说如果选用这种小封装的IPARK产品去取代TO220封装的话，面积可以减少75%，高度可以减少49%。而用这种DPARK封装产品的话，如果去取代D2PARK这种产品，它的面积可以减少63%，高度同样可以减少到49%。这是一个实际的PCP板上的IGBT的图，我们看到如果用D2PARK的话，它两颗的面积大概在2.5厘米，而如果使用DPARK封装的话可以减少到1.5厘米左右，同时它跟IGBT模块来相比的话可以节省0.5个美金的成本，所以对于一些消费类市场低成本的产品这个相当重要的。总结一下IGBT的重要特点，一个是成本，因为它采用的是一个晶圆，所以它的成本有很大的优势;另外因为减少了它的封装，可以给PCB留下更多的空间，进一步提高产品的功率密度。同时它也有一个非常好的性能，非常低的饱和导通压降，一个非常软的开关特性对EMI非常有帮助，它还有一个很好的温度特性，最高温度可以达到175度。蓝色曲线是逆向导通型IGBT和目前TO220封装的饱和导通压降的比较。这是用一个6安的产品在做比较，当这个电流在6安的时候可以看到饱和导通压降非常的低。衡量一个IGBT的好坏有两个非常重要的指标，一个就是它的饱和导通压降，就是Vce(sat)，另外一个就是开关损耗，也就是Eoff。对于低频的应用来说，饱和导通压降是占有绝对支配地位的，所以选择这种RC-Drives的IGBT会是一个非常好的选择，因为可以看到这种RC-Drives IGBT的饱和导通压降是远远低于市面上的一些产品。这个是在一个无刷电机上面的损耗的分析。
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基于IGBT器件的大功率DC/DC电源并联技术
&&来源:半导体器件应用网&&&& 16:41:30&&我要投稿&&
:针对此要求，不可避免地需采用电源并联技术，即功率管并联或电源装置的并联。对于20kA，若采用功率管并联，每个桥臂则至少需15只功率管并联，这不但给驱动带来很大困难，而且，在一般情况下，电流容量较大的功率管的电压容量也较大，在实际电压只有50V 的情况下，对功率管的电压容量而言，这是极大的浪费。因此，提出采用多米诺结构的DC/DC电源装置并联技术思路。对电源并联系统的基本要求为：1)在电网扰动或负载扰动下保持输出电压稳定;2)各模块调制频率一致。若不一致，则产生低频脉动信号，增大输出电流和电压的纹波成分;3)控制各模块电流，使其均分负载电流。1 大功率直流电源的拓扑结构DC/DC电源并联有两种拓扑结构，一种是采用输入直流母线结构，其系统结构框图如图1a所示，主要包括整流变压器和不可控二极管整流电路，N 路DC/DC变换器，泵升电压抑制电路等;另一种是采用独立的AC-DC/DC电源并联，系统结构图如图1b所示。
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