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IGBT是啥?看完這篇文章我不信你還不明白

發(fā)布時間:2016-8-10 13:38    發(fā)布者:designapp
關鍵詞: IGBT , MOSFET
電的發(fā)現(xiàn)是人類歷史的革命,由它產(chǎn)生的動能每天都在源源不斷的釋放,人對電的需求不亞于人類世界的氧氣,如果沒有電,人類的文明還會在黑暗中探索。

然而在電力電子里面,最重要的一個元件就是IGBT。沒有IGBT就不會有高鐵的便捷生活。





一說起IGBT,半導體**的人都以為不就是一個分立器件(Power Disceret)嘛,都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成電路**一樣,是國家“02專項”的重點扶持項目,這玩意是現(xiàn)在目前功率電子器件里 技術最先進的產(chǎn)品,已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET,其應用非常廣泛,小到家電、大到飛機、艦船、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”,長期以來,該產(chǎn)品(包括芯片)還 是被壟斷在少數(shù)IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA),位居“十二五”期間國家16個重大技術突破專項中的第二位(簡稱 “02專項”)。

究竟IGBT是何方神圣?讓我們一起來學習它的理論吧。

1、何為IGBT?


IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor),所以它是一個有MOS Gate的BJT晶體管。奇怪吧,它到底是MOSFET還是BJT?其實都不是又都是。不繞圈子了,他就是MOSFET和BJT的組合體。

我在前面講MOSFET和BJT的時候提到過他們的優(yōu)缺點,MOSFET主要是單一載流子(多子)導電,而BJT是兩種載流子導電,所以BJT的驅動電流 會比MOSFET大,但是MOSFET的控制級柵極是靠場效應反型來控制的,沒有額外的控制端功率損耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的優(yōu) 點組合起來的,兼有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗),又利用了BJT的雙載流子達到大電流(低導通壓降)的目的(Voltage- Controlled Bipolar Device)。從而達到驅動功率小、飽和壓降低的完美要求,廣泛應用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電 路、牽引傳動等領域。





2、傳統(tǒng)的功率MOSFET


為了等一下便于理解IGBT,我還是先講下Power MOSFET的結構。所謂功率MOS就是要承受大功率,換言之也就是高電壓、大電流。我們結合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結構實現(xiàn)高壓、大電流。





1)高電壓:一般的MOSFET如果Drain的高電壓,很容易導致器件擊穿,而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B),所以要解決高壓問題必須 堵死這三端。Gate端只能靠場氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate),而Bulk端的PN結擊穿只能靠降低PN結兩邊的濃度,而 最討厭的是到Source端,它則需要一個長長的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓,使得電壓都降在漂移區(qū)上就可以了。

2) 大電流:一般的MOSFET的溝道長度有Poly CD決定,而功率MOSFET的溝道是靠兩次擴散的結深差來控制,所以只要process穩(wěn)定就可以做的很小,而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L,所以如果要獲得大電流,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)。雖然這樣的器件能夠實現(xiàn)大功率要求,可是它依然有它固有的缺點,由于它的源、柵、漏三端都在表面,所以漏極與源極需要拉的很長,太浪費芯片面 積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯(lián)則復雜性增加而且需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS),把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了,這樣漏極和源極的漂移區(qū)長度完全可以通過背面減薄來控制,而且這樣的結構更利于管子之間的并聯(lián)結構實現(xiàn)大 功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結構,為了與CMOS兼容。

再給大家講一下VDMOS的發(fā)展及演變吧,最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來 的(如下圖),他就是傳說中的Planar VDMOS,它和傳統(tǒng)的LDMOS比挑戰(zhàn)在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容,所以它還是有生命力的。但是這種結構的缺點在于 它溝道是橫在表面的,面積利用率還是不夠高。

再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點,所以發(fā)展了VMOS和UMOS結構。他們的做法是在Wafer表面挖一個槽,把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的 vertical,果然是個聰明的想法。但是一個餡餅總是會搭配一個陷阱(IC**總是在不斷trade-off),這樣的結構天生的缺點是槽太深容易電 場集中而導致?lián)舸夜に囯y度和成本都很高,且槽的底部必須絕對rouding,否則很容易擊穿或者產(chǎn)生應力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點是晶飽數(shù)量比原來 多很多,所以可以實現(xiàn)更多的晶體管并聯(lián),比較適合低電壓大電流的application。





還有一個經(jīng)典的東西叫做CoolMOS,大家自己google學習吧。他應該算是Power MOS撐電壓最高的了,可以到1000V。

3、IGBT的結構和原理


上面介紹了Power MOSFET,而IGBT其實本質上還是一個場效應晶體管,從結構上看和Power MOSFET非常接近,就在背面的漏電極增加了一個P 層,我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實根本上來講它還是傳統(tǒng)的MOSFET,它依然是單一載流子(多子)導電,所以我們還沒有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來發(fā)展出一個新的結 構,我們如何能夠在Power MOSFET導通的時候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎?所以自然的就在漏端引入了一個P 的injection layer (這就是名字的由來),而從結構上漏端就多了一個P /N-drift的PN結,不過他是正偏的,所以它不影響導通反而增加了空穴注入效應,所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導電。所以原來的 source就變成了Emitter,而Drain就變成了Collector了。





從上面結構以及右邊的等效電路圖看出

。。。。。
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