IGBT到底是啥？

1.  IGBT簡(jiǎn)介

IGBT，全稱絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是一個(gè)結(jié)合了MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和BJT（雙極型晶體管）特點(diǎn)的復(fù)合器件。IGBT既不是純粹的MOSFET，也不是純粹的BJT，而是兩者的優(yōu)勢(shì)融合。IGBT通過MOSFET的柵極電壓控制BJT的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了高輸入阻抗和大電流的特點(diǎn)。MOSFET的柵極電壓控制提供了低驅(qū)動(dòng)功率，而BJT的雙載流子特性則實(shí)現(xiàn)了低導(dǎo)通壓降。

2.  傳統(tǒng)MOSFET

高電壓：為了實(shí)現(xiàn)高電壓，Power MOSFET采用了特殊的結(jié)構(gòu)。Gate端通過場(chǎng)氧墊隔離與漏極的距離，Bulk端的PN結(jié)擊穿通過降低PN結(jié)兩邊的濃度來防止，而Source端則需要一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓。

大電流：Power MOSFET的溝道長(zhǎng)度由兩次擴(kuò)散的結(jié)深差來控制，可以做得很小且不受光刻精度的限制。器件的電流取決于寬度與長(zhǎng)度的比例（W/L），因此要提高電流，只需要提高寬度（W）即可。

結(jié)構(gòu)：Power MOSFET也叫做LDMOS（橫向雙擴(kuò)散MOS），但由于其源、柵、漏三端都在表面，因此漏極與源極之間需要較大的間距。

雖然Power MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)大功率要求，但它仍然有其固有的缺點(diǎn)，如源、柵、漏三端都在表面，導(dǎo)致漏極與源極需要較大的間距。而IGBT的出現(xiàn)，正是為了克服這些缺點(diǎn)，提供更高效、更可靠的解決方案。

3. IGBT結(jié)構(gòu)與原理

1）IGBT的基本結(jié)構(gòu)

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）從結(jié)構(gòu)上看，與Power MOSFET非常接近，但在其背面的漏電極增加了一個(gè)P+層，我們稱之為Injection Layer。這個(gè)P+層的引入，使得IGBT在導(dǎo)通時(shí)，除了MOSFET的電子外，還能從漏端注入空穴，從而實(shí)現(xiàn)兩種載流子（電子和空穴）參與導(dǎo)電，大大提高了其電流驅(qū)動(dòng)能力。

2）IGBT工作原理

導(dǎo)電機(jī)制：IGBT在導(dǎo)通時(shí)，電子從源極（Source）注入，并通過MOSFET的溝道流向漏極（Drain）。同時(shí)，由于P+層的存在，空穴從漏極注入并參與導(dǎo)電，形成類似于BJT（雙極型晶體管）的導(dǎo)電機(jī)制。

Latch-up問題：由于IGBT的結(jié)構(gòu)類似于PNPN的Thyristor（晶閘管），存在潛在的Latch-up問題。為了避免Latch-up，需要控制Rs，使得α1+α2<1。

關(guān)斷特性：當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，溝道很快關(guān)斷，多子電流消失。但由于空穴的注入效應(yīng)，Collector（Drain）端仍有少子空穴注入，導(dǎo)致器件的電流需要慢慢才能關(guān)閉（拖尾電流）。為了提高關(guān)斷頻率，引入了PT-IGBT（Punch Through型）結(jié)構(gòu)，在P+與N-drift之間加入N+buffer層，使空穴在N+buffer層迅速?gòu)?fù)合。

3）IGBT類型

NPT-IGBT：沒有N+buffer層的IGBT。由于其P+襯底較薄，空穴注入較少，因此NPT-IGBT通常具有正溫度系數(shù)。

PT-IGBT：在P+與N-drift之間加入N+buffer層的IGBT。PT-IGBT的關(guān)斷頻率更高，但Vce(sat)（飽和壓降）通常較NPT-IGBT高。

4. IGBT新技術(shù)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）也在持續(xù)進(jìn)化，以滿足日益增長(zhǎng)的高功率和高效率需求。以下是兩種IGBT的新技術(shù)：

1）場(chǎng)截止FS-IGBT

傳統(tǒng)的PT-IGBT和NPT-IGBT結(jié)構(gòu)在追求高功率時(shí)都面臨一定的挑戰(zhàn)。為了降低Vce(sat)和Ron（導(dǎo)通電阻），需要減少N-drift層的厚度。然而，N-drift層太薄容易導(dǎo)致溝道穿通。為了解決這個(gè)問題，F(xiàn)S-IGBT（場(chǎng)截止FS-IGBT）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

FS-IGBT在P+注入層與N-drift層之間引入了一個(gè)N+場(chǎng)截止層（Field Stop, FS）。當(dāng)IGBT處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電場(chǎng)在截止層內(nèi)迅速降低到0，從而有效限制了N-drift層的厚度，進(jìn)一步降低了Ron和Vce。此外，這種結(jié)構(gòu)與PT-IGBT中的N+ buffer層類似，也能有效抑制關(guān)閉狀態(tài)下的拖尾電流，提高關(guān)閉速度。

與PT-IGBT相比，F(xiàn)S-IGBT的制作工藝更為簡(jiǎn)單且成本較低。它是在NPT-IGBT的基礎(chǔ)上直接在背面打入高濃度的N+截止層，而PT-IGBT則需要通過兩層外延生長(zhǎng)（EPI）工藝來制作N+ buffer和N-Drift層，成本較高。

2）陽(yáng)極短接（SA: Shorted-Anode）技術(shù)

陽(yáng)極短接技術(shù)通過在N+集電極中間歇插入P+集電極來實(shí)現(xiàn)。這樣，N+集電極可以直接接觸場(chǎng)截止層并用作PN二極管的陰極，而P+集電極則繼續(xù)作為FS-IGBT的集電極。這種結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了電流特性，還改變了成本結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴辉傩枰卜庋b反并聯(lián)二極管。

 

實(shí)驗(yàn)證明，采用陽(yáng)極短接技術(shù)的IGBT可以提高飽和電流并降低飽和壓降約12%。這為高功率應(yīng)用提供了更為高效和經(jīng)濟(jì)的解決方案。