1 平面型IGBT的結構

功率MOSFET是N、P、N三層的結構，從圖1可以看到，IGBT是N、P、N、P四層的結構，相對于功率MOSFET，下面多了一層P，因此，IGBT可以看作是一個小的控制MOSFET和一個大電流的三極管并聯，同時，MOSFET的D極通過一個二極管連接到C極。

圖1：平面型高壓IGBT結構

當G極上加電壓時，和功率MOSFET的工作原理一樣，在G極下面P變成N，形成反型層，從而形成電流流通的溝道，内部的MOSFET就導通。當MOSFET導通後，就将三極管的B極拉到地，從而将三極管導通，整個IGBT開通，開始工作。關斷的過程如之類似。可以看到，IGBT相當于将絕緣栅簡單的電壓制特性與雙極三極管器件的強大導電能力結合起來，因此，具有二者的優點。

圖2：高壓IGBT工作原理

背面的P區為IGBT的集電極，P區命名為集電區是為了在電路應用上與BJT的符号标記取得一緻，但在器件物理上，實際為寄生 PNP 的發射區，因此，又稱為背發射區。

平面型IGBT有三種常用的内部結構：穿通型PT: Punch Through，非穿通型NPT: Non Punch Through，場截止型FS: Field Stop，如圖3所示。下面分别介紹這三種結構及其特點。

(a)穿通PT型 (b)非穿通NPT型 (c)場終止FS型

圖3：平面型高壓IGBT結構

1.1 平面穿通型IGBT結構及特點

穿通型是最早的一種結構，在制作這種結構的IGBT時，先以P型的襯底為基礎，在P上依次通過生長的方式制作N緩沖層、N外延層，然後再制作内部的體P型區（Body P）和N型發射極區。這種工藝的過程是先制作三極管，然後再制作MOSFET。

可以看到，對于穿通型結構，由于襯底的厚度大，為了減小導通壓降，必須在襯底P區采用重摻雜，高的注入效率，可以保證低的導通壓降，但是，容易形成過剩的載流子，從而減慢關斷的速度，形成大的電流拖尾，産生大的開關損耗。

少子的壽命越長，擴散長度就越大。在三極管中，為了保證少數載流子在基區的複合盡量少，以獲得較大的電流放大系數和通過電流的能力，這樣，必須把基區寬度縮短到少數載流子的擴散長度以下，因此，要求基區的少數載流子壽命越長越好。

在這種結構中，内部的二個P區中間的N區，是三極管的基極區，為了減小導通的壓降，通常，N型基極區不能使用太大的厚度。P區的少子是電子，當N型的基極區厚度較小時，内部的體P區的少子，可以穿過整個的N型的基極區，進入到集電極的P區，這樣，雖然減小了N型的基極區導通壓降，但是，在關斷的過程中，這些少子就容易形成更大的電流拖尾，顯著的增大了開關損耗。因此，通常利用制作中間緩沖層可以減小N型基極區（高阻區）的厚度以及輻射照射的方法，改善導通壓降VCES、電流拖尾和開關時間。

正因為内部的體P區的少子，可以穿過N型的基極區，進入到P型的集電極區，所以，這種結構稱為穿通型結構。

圖4：穿通型結構

集電結，也就是背發射結，具有重的摻雜濃度和高的注入效率，高的發射效率導緻大量的空穴迅速從背面注入到N型基極區，電子流過表面反型溝道也注入到N型基極區，在基區形成強的的電導調制，得到較低的導通壓降。但是，器件關斷時，電子難以從背面的P型集電極區流出，幾乎隻能在N型基極區，依靠自身複合消而失，因此，這種結構的集電極區對電子而言，是非透明的，也就是關斷時，IGBT的集電極無法抽取過剩載流子，産生電流拖尾，延緩器件關斷，增大開關損耗，所以，穿通型結構的集電極也稱非透明集電極。

為了解決上述問題，降低載流子壽命，隻有依靠輻照技術。輻照工藝可能控制少子壽命，雖然可以減小電流的拖尾，但是，輻照導緻IGBT的飽和導通電壓VCES是負溫度系數，不能并聯工作，限制了在一些大功率系統中的應用。同時，VCES的負溫度系數特性，也容易導緻内部寄生的晶閘管發生電闩鎖效應，從而損壞IGBT。

由于少子壽命短，P型集電區的濃度高，内部的PNP晶體管增益大，溫度升高時，少子壽命和内部晶體管的增益也随之增大，導緻注入N型基極區的正電荷不斷增加，關斷速度減慢，開關損耗增大，同時，雪崩擊穿電壓也降低。

此外，這種結構的矽片的厚度大，因此熱阻大，散熱性能差。但是，這種結構隻需要簡單的外延生長，因此工藝過程簡單，矽片的厚度大，加工制作的過程也比較容易控制。

1.2 平面非穿通型IGBT結構及特點

非穿通型IGBT是先制作MOSFET，再制作三極管，工藝過程就是先以N型的外延層作基礎，在上面依次制作内部的體P型區和N型發射極區，也就是制作出MOSFET，然後，将矽片反過來，将矽片打磨、減薄，再用等離子注入的方式，在背面制作出非常薄的P型集電極區。

由于P型集電極區是在工藝的最後階段采用等離子注入的方式制作，而且厚度非常小，因此，可以采用精确的控制的低摻雜注入，合适的注入效率，可以精确的控制并保證合适的導通壓降，低摻雜使漂移區無法産生過剩的載滾子，因此，減小電流拖尾，開關損耗小，形狀速度快，可以工作在更高的工作頻率。

由于P型的集電極非常薄，在保證合适的飽和導通電壓的前提下，可以增大内部的N型基極區的厚度，來保證要求的耐壓值。N型基極區的厚度較寬，大于P區少子可以穿越的能力，就可以極大的減小的電流的拖尾和關斷損耗，從而進一步提高這種結構的工作頻率。正因為這個原因，這種結構也稱為非穿通型結構。

圖5：非穿通型結構

内部N型基極區的厚度大，飽和導通壓降增大，導通損耗也增大。但是，寬的N型基極區、低的集電區摻雜濃度以及長的少子壽命，可以減小内部的PNP晶體管的增益，同時，溫度升高時，少子壽命和晶體管的增益随溫度變化幅度小，因此，這種結構的溫度特性非常穩定，雪崩擊穿電壓穩定，抗短路及二次雪崩的能力也較強。少子壽命長，器件具有由遷移率決定的電壓正溫度系數，不需要輻照工序控制少子壽命，所以，這種結構的IGBT的VCES是正溫度系數，可以并聯工作，實現電流均流，擴大功率應用的範圍。而且，具有較小的晶閘管鎖定效應，可靠性高。

集電極的摻雜濃度低，厚度薄，注入效率偏低，關斷時，流過集電極的電流中電子流占主導，基區的大量過剩電子，可以以擴散流的方式，穿透極薄的集電區快速流出，電流拖尾小，開關損耗小，實現快速關斷，所以，非穿通型結構的集電極也稱透明集電極。

對于雪崩能力UIS，通常，不考慮自身發熱，二者基本相同；如果考慮自身發熱，PT遠低于NPT ，因為NPT型具有更低的損耗，溫升更小。

這種結構的矽片的厚度小，因此熱阻小，同樣的規格，非穿透型比穿透型的熱阻要低40%，散熱性大大的提高。但是，在生産的過程中，這種結構需要進行背面減薄，然後再進行光刻、刻蝕、離子注入、退火、表面金屬化和鈍化等一系列的工藝，容易發生碎片和彎曲問題，制造的工藝過程複雜，不容易控制，成本高，成品率低。

1.3 平面場截止型IGBT結構及特點

非穿通型IGBT内部，具有較寬的N型基極區，這個區的厚度影響IGBT的耐壓，通常，這個區的的外延生長采用等濃度的摻雜工藝，從電場的分布來看，關斷期間，從N型基極區到整個襯底，由最大值線性下降到0，這種三角形電場分布，對應着較差的、最浪費矽片厚度的均勻的摻雜濃度分布，即，導通狀态下，N型基極區的内部電阻相當大。如果降低N型基極區的電阻，調整摻雜濃度，則會影響器件其它性能，如耐壓值。因此，在這種結構中，N型基極區的厚度是影響飽和導通壓降VCES的主要因素。改進的方法是改變内部電場的分布，将三角形的電場分布，改變為梯形電場分布，這樣，在保證耐壓等參數的前提下，可以降低N型基極區的厚度，從而極大的降低導通壓降，如圖6所示。

這種結構前面的工序和非穿通型一樣，不同之處在于，當背面減薄後，先制作一層重摻雜的N型電場截止層，對應着相同規格，場截止層的摻雜濃度等于非穿通型減小的N型基極區厚度的摻雜濃度的總和。也就是它們在N型基極區的摻雜總量一定，單位面積下，摻雜濃度沿厚度方向的積分總和相等。但是，非穿通型IGBT分布在更寬的區域，而場截止型将非穿通型内部大部分的N型基極區的摻雜濃度，壓縮在非常窄的場截止層。電場強度在場截止層中快速的下降到到0，場截止層的尺寸非常小，N型基極區的電場強度降低的值可以忽略，因此，電場的阻斷能力和N型基極區厚度關系不大，可以采用薄的N型基極區襯底，飽和壓降低，導通損耗小，關斷速度更快，基本無電流拖尾，開關損耗小。

由于中間增加一個電場截止層，因此，這種結構稱為場截止型結構。

(a) 非穿通NPT型 (b) 場截止FS型

圖6：非穿通和場截止型内部電場分布

場截止型結構具有非穿透型的優點，如低的電流拖尾、高的開關速度、VCES正溫度系數和優異的高溫特性，同時，它也具有穿透型低的飽和壓降的特點。但是，這種結構的矽片更薄，加工的難度更大。

下面給出了二個表，同樣的規格，對應着不同結構時，内部的工藝尺寸。可以看到，NPT和FS的矽片的總厚度比PT減小一半以上，最主要的差别在于集電極，NPT和FS的集電極的尺寸都非常小。和上面讨論的一樣，NPT的基極區的尺寸遠大于PT型，但FS的通過中間加入尺寸非常小的電場截止層，進一步減小矽片厚度。

2 溝槽型IGBT的結構

從IGBT的結構上看，其等效電路相當于一個三極管和一個MOSFET并聯，而功率MOSFET具有平面栅結構和溝槽栅結構二種，目前在中低的功率MOSFET中，溝槽栅功率MOSFET占主導地位，因此很自然的，溝槽栅技術就引入到IGBT中，如圖7所示。

圖7：溝槽型高壓IGBT結構

這種結構基于FS結構，将處于晶片表面的水平栅極，以溝槽的形式，垂直挖在矽片内部，由于這種結構可以減小功率MOSFET的内部JFET效應以及水平和垂直二維極化電場分布，因此可以極大的降低功率MOSFET的導通電阻和導通壓降，減小每個晶胞單元的面積，從而實現更大的通過電流的能力，增大電流密度。

但是，這種結構進一步增加工藝的複雜性和，很難控制每個單元的一緻性，因此，總體的抗電流沖擊的能力弱于平面性的結構。

目前，有一些其它的新技術，核心依然是以進一步飽和壓降，減小電流拖尾産生的關斷損耗。如在N型基極區和體P區的交接處，外加一個摻雜濃度略高的N區，産生空穴阻擋層，限制注入增強，将載流子儲存溝槽栅中，以提高體内過剩載流子的濃度。

3 不同結構影響 IGBT的主要參數

VCES直接影響IGBT的導通損耗，EON和EOFF影響IGBT的開關損耗，而有些應用需要IGBT具有抗短路能力tsc，通常，不同的結構IGBT，具有不同的FOM，同時，也具有不同的VCES、EON、EOFF和tsc，有時候，這些參數相互影響相互制約，因此，在設計的過程中，如何選取相應的參數滿足系統的要求，最為關鍵，以後作者再論述這個問題。

VCES主要受溝道影響，溝道壓降和溝道寬度成反正，與溝道長度成正比。溝道長度短，導通壓降低，擊穿電壓低，溝道長度具有限制短路電流作用。平面型技術采用水平方向的溝道，溝道寬度受到限制；溝槽型技術采用垂直方向的溝道，增加溝道寬度，不占用芯片表面積，得到較低的飽和壓降，并保證耐壓的要求。因此，溝槽型技術具有最低的VCES和最低的開關損耗的優化組合，目前高頻快速的新一代的IGBT都是基于這種結構。

在VGE=15V，IC=40A，TJ=25°C時，具有低的飽和導通壓降VCES，其典型值為1.5V，最大值2.1V。在VGE=15V，VCE=400V，IC=40A， TJ=25°C及150°C時，Eon分别為1.72mJ，2.1mJ;Eoff分别為0.3mJ，0.6mJ，可以實現低的開關損耗。另外，這個器件還具有抗短路能力tsc=10uS，内部集成了快恢複二極管，非常适合全橋和半橋的電路結構，可以有效的減小電壓的尖峰，提高上下橋臂短路時抗電流的沖擊能力和短路保護的能力，已廣泛應用于電焊機，電機控制。

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