功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)原理制造.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)原理、制造及应用 中国科学院半导体研究所 刘忠立 一.引言 绝缘栅双极晶体管（Insulated gate Bipolar Transistor, IGBT），是上世纪80年代初发展起来的一种新型的半导体功率器件。由于它结合了传统的双极功率晶体管（Bipolar Junction Transistor）和功率MOSFET的优点，在性能上更加接近于理想的功率开关器件，因而发展很快，而且在实际中也得到了广泛的应用。这种器件被人们称为第三代的半导体功率器件。 第一代硅功率器件是双极型器件，包括双极晶体管、晶闸管（SCR）及其派生器件。功率晶闸管广泛地用来实现大容量的电流控制，它的电流密度即便在极高的电压时也可达到300A/cm2,在面积较小的芯片上可以开关大电流，在低频相位控制领域中使用十分经济。由于这类器件的工作频率受到dV/dt、di/dt的限制，另外，为使器件关断必须在阳极上加一反向电压；结果导致控制电路的复杂化，目前主要用在对栅关断速度要求较低的场合（在KHz范围）。 在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶体管，这种器件可以在400V以上的耐压下开关400A的电流。但是对以大功率为应用目标的BJT，即使采用达林顿结构，在正向导通和强迫性栅关断过程中，电流增益β值一般也只能做到10，结果器件需要相当大的基极驱动电流。此外，BJT的工作电流密度也相对较低（～50 A/cm2），器件的并联使用困难，同时其安全工作区（SOA）受到二次（负阻）击穿的限制。 第二代功率半导体器件是功率MOSFET。早期MOSFET主要用于数字集成电路，电流沿表面沟道横向流动。1975年Siliconix公司开发成功VV－MOSFET（VMP1,50W），电流沿垂直方向流动，使电流及耐压达到了很高的数值，由此开了功率MOSFET的先河。由于MOSFET的控制为绝缘的栅SiO2,具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控电流极小（IG~100nA数量级）。MOSFET是多子器件，不存在双极晶体管在关开过程中基区少子的存储效应，因而可以在更高的频率下（100KHz以上）实现开关工作，同时MOSFET还能简单有效地并联使用，并具有比双极器件宽得多的安全工作区。正是因为这些优点，使功率MSOFET从80年代初期开始，得到比较迅速发展，已形成大量产品，并在实际中得到广泛的应用。 但是MOS功率器件相对于双极型功率晶体管而言也存在缺点，主要是非饱和区（线性区）的导通电阻（rON）比较大，因而导通时损耗比较大。由此使功率MSOFET的功率处理能力，也就是电流密度受限。功率MOSFET的最大电流密度～10 A/cm2。除此以外，功率MOSFET的工艺相对复杂，同时大电流靠大的宽长比提供，结果必须有大的栅面积，除了芯片的面积有大的花费以外，保证大面积栅绝缘体的质量及可靠性成为重要问题。MOSFET通常需要外加ESD（静电放电）的保护装置，这也增加了器件的复杂性。功率VDMOSFET的另一个问题是导通电阻rON随漏源击穿电压BVDS增大而迅速增加。一般，当器件耐压提高一倍，若芯片面积不变，rON是原先的5～6倍。 n是相关常数，一般为2.3~2.7 功率MOSFET的rON以至于跨导gm比双极的器件以更快的速率随击穿电压增加而变坏（见图1）。这使它们在高压工作范围处于劣势。 图1 MOS器件和双极器件的单位面积跨导同耐压的关系 第三代功率半导体器件是本文将要介绍的绝缘栅双极晶体管。顾名思义，它是一种包括MOSFET（绝缘栅控）以及双极型工作二者在内的新型功率半导体器件。由于这种器件成功克服了功率MOS器件导通电阻较大及双极器件工作频率较低的缺点，使其具有更优越的功率特性，自1982年由美国GE公司提出以来，发展十分迅速。下面重点介绍IGBT器件结构、工作原理、制造及发展概况。 二.基本IGBT器件结构及工作原理 基本器件结构： IGBT器件的结构剖面示 于图2。它非常类似于一 个纵向的双扩散MOSFET， 只不过是在底部加了一个P+ 层，P+层代替了VDMOS的 N+层形成了IGBT的集电极 （或阳极）。这一P+层同 N-层形成一个p-n 结 （图中所示的J1结）。 由于J1结的引入，使其工作 原理不同于VDMOS。