IGBT是啥?看完這篇文章我不信你還不明白

  

 

  電的發現是人類歷史的革命,由它產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,這玩意是現在目前功率電子器件里 技術最先進的產品,已經全面取代了傳統的Power mosFET,其應用非常廣泛,小到家電、大到飛機、艦船、交通、電網等戰略性產業,被稱為電力電子行業里的“CPU”,長期以來,該產品(包括芯片)還 是被壟斷在少數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 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來作為漏極串聯電阻分壓,使得電壓都降在漂移區上就可以了。

  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則復雜性增加而且需要隔離。所以后來發展了VDMOS(Vertical DMOS),把漏極統一放到Wafer背面去了,這樣漏極和源極的漂移區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結構實現大 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、金屬蒸發制作出來 的(如下圖),他就是傳說中的Planar VDMOS,它和傳統的LDMOS比挑戰在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統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 場集中而導致擊穿,而且工藝難度和成本都很高,且槽的底部必須絕對rouding,否則很容易擊穿或者產生應力的晶格缺陷。但是它的優點是晶飽數量比原來 多很多,所以可以實現更多的晶體管并聯,比較適合低電壓大電流的application。

  

 

  還有一個經典的東西叫做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的MOSFET,它依然是單一載流子(多子)導電,所以我們還沒有發揮出它的極致性能。所以后來發展出一個新的結 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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