1．前言

在絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)得到大力發(fā)展以前，功率場效應(yīng)管MOSFET被用于需要快速開關(guān)的中低壓場合，晶閘管、GTO被用于中高壓領(lǐng)域。MOSFET雖然有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點；但是，在200V或更高電壓的場合，MOSFET的導(dǎo)通電阻隨著擊穿電壓的增加會迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能得到高耐壓、大容量元件等的缺陷。雙極晶體管具有優(yōu)異的低正向?qū)▔航堤匦?，雖然可以得到高耐壓、大容量的元件；但是它要求的驅(qū)動電流大，控制電路非常復(fù)雜，而且交換速度不夠快。

IGBT正是作為順應(yīng)這種要求而開發(fā)的，它是由MOSFET（輸入級）和PNP晶體管（輸出級）復(fù)合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的特點（控制和響應(yīng)），又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點（功率級較為耐用），頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十KHz頻率范圍內(nèi)。基于這些優(yōu)異的特性，IGBT一直廣泛使用在超過300V電壓的應(yīng)用中，模塊化的IGBT可以滿足更高的電流傳導(dǎo)要求，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷提高，今后將有更大的發(fā)展。

2．IGBT構(gòu)造與特性

IGBT是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開關(guān)器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構(gòu)成的，性能上也是結(jié)合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點。N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。P+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)壓降。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。

IGBT是由一個N溝道的MOSFET和一個PNP型GTR組成，它實際是以GTR為主導(dǎo)元件，以MOSFET為驅(qū)動元件的復(fù)合管。IGBT除了內(nèi)含PNP晶體管結(jié)構(gòu)，還有NPN晶體管結(jié)構(gòu)，該NPN晶體管通過將其基極與發(fā)射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關(guān)斷。IGBT的4層PNPN結(jié)構(gòu)，內(nèi)含的PNP與NPN晶體管形成了一個可控硅的結(jié)構(gòu)，有可能會造成IGBT的擎柱效應(yīng)。IGBT與MOSFET不同，內(nèi)部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中（感性負(fù)載）需要搭配適當(dāng)?shù)目旎謴?fù)二極管。

IGBT的理想等效電路及實際等效如圖所示：

IGBT的理想等效電路及實際等效電路

由等效電路可將IGBT作為是對PNP雙極晶體管和功率MOSFET進(jìn)行達(dá)林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。

因此，在門極-發(fā)射極之間外加正電壓使功率MOSFET導(dǎo)通時，PNP晶體管的基極-集電極就連接上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于通過在漏極上追加p+層，在導(dǎo)通狀態(tài)下從p+層向n基極注入空穴，從而引發(fā)傳導(dǎo)性能的轉(zhuǎn)變，因此它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻。

此后，使門極-發(fā)射極之間的電壓為0V時，首先功率MOSFET處于斷路狀態(tài)，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態(tài)。

如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號可以控制開通和關(guān)斷動作。

3．穿通型(PT) & 非穿通型(NPT)&場中止型(FS)IGBT

PT-IGBT在數(shù)百微米厚的P+單晶襯底與N-漂移耐壓層之間添加了N+緩沖層，外延層上制造復(fù)雜的正面結(jié)構(gòu)。N+緩沖層通過減少少數(shù)載流子的注入及提高開關(guān)過程中的復(fù)合速度，可以提高IGBT的關(guān)斷速度。此外擎柱效應(yīng)也得到了改善，減少了PNP晶體管的增益。但是，會造成通態(tài)壓降增加。不過，N-漂移區(qū)的厚度可以減小并保持相同的正向電壓阻斷能力，因為N+緩沖層可以提高正向電壓阻斷能力，從而降低通態(tài)壓降。因此，PT-IGBT相對于NPT-IGBT具有優(yōu)越的開關(guān)速度和正向壓降折衷特性。PT-IGBT的導(dǎo)通壓降VCEsat具有負(fù)溫度系數(shù)，熱電正反饋效應(yīng)很容易使電流集中，誘發(fā)二次擊穿，器件高溫穩(wěn)定性差，不利于并聯(lián)工作。

高壓NPT-IGBT采用N-型單晶為起始材料，單晶襯底上直接制造正面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完成后，從襯底背面采用研磨、腐蝕的方法減薄到耐壓所需的厚度，之后很薄的P+集電區(qū)通過離子注入形成，摻雜濃度較低，對少子電子是透明的，主要（約70%）電子流形式的電流通過集電結(jié)。器件關(guān)斷時，漂移區(qū)存儲的大量過剩電子通過透明集電區(qū)能迅速流出，而空穴本來就能順利流向發(fā)射極。因此NPT-IGBT不需要載流子壽命控制就能實現(xiàn)快速關(guān)斷。漂移區(qū)載流子壽命足夠長，通態(tài)壓降VCEsat具有正溫度系數(shù)。

FS-IGBT是通過在傳統(tǒng)的NPT-IGBT的襯底區(qū)和集電區(qū)之間加入一個n型摻雜附加層實現(xiàn)，這個附加層被稱為電場中止（fieldstop）層。一般襯底厚度是標(biāo)志通態(tài)損耗大小的參數(shù)—飽和電壓VCEsat的主要決定因素。襯底越厚，飽和電壓越大。傳統(tǒng)的NPT-IGBT以較厚硅片為基本，1200V耐壓IGBT大概200微米厚。從圖中電場強度分布曲線可看出，在關(guān)斷期間整個襯底中電場強度線性下降，最后到零。這種電場分布對應(yīng)的摻雜濃度分布（均勻分布）是一種很差的分布，它意味著導(dǎo)通狀態(tài)下襯底的內(nèi)部電阻相當(dāng)大。若為了降低電阻調(diào)整襯底摻雜濃度則會對器件其他參數(shù)帶來不利影響。而FS-IGBT電場中止層的摻雜總劑量設(shè)計為能使電場強度在這一層中基本降低為零。就是說該層以下襯底中電場強度的降低可以忽略，因而，IGBT的電壓阻斷能力與襯底厚度不再有關(guān)系，可以研磨的更薄。使IGBT具有很低的飽和電壓，從而有很低的通態(tài)損耗。

傳統(tǒng)的NPT-IGBT和Fieldstop IGBT在關(guān)斷狀態(tài)的剖面和電場分布

4．IGBT工作原理

IGBT導(dǎo)通過程：當(dāng)N溝道類型的 IGBT處在正向阻斷模式時，通過柵極-發(fā)射極間施加閥值電壓VTH以上的(正)電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層(溝道)，發(fā)射極電極下的n-層電子開始注入溝道，該電子為PNP晶體管的少數(shù)載流子，若此時集電極與發(fā)射極電壓在0.7V以上，從集電極襯底p+層開始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制(雙極工作)，所以可以使集電極-發(fā)射極間飽和電壓降低?；膽?yīng)用在管體的P+襯底和N+漂移區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗， 并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流(MOSFET 電流);空穴電流(雙極)。UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。

IGBT關(guān)斷過程：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，反型層無法維持，溝道被禁止，供應(yīng)到N-漂移區(qū)的電子流被阻斷，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。關(guān)斷過程開始，但是關(guān)斷不能迅速完成。MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為正向傳導(dǎo)過程中的N-漂移區(qū)被注入少數(shù)空穴載流子。換向開始后，由于溝道電子流的中止，集電極的電流急劇降低，然后在N-層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)進(jìn)行復(fù)合，集電極電流再逐漸降低。這種拖尾電流的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度有關(guān)。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，會引起以下問題：功耗升高;交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用 續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。www.mosigbt.com