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IGBT结构及其应用特点 刘松 (万国半导体元件有限公司, 上海 201203) 高压IGBT的驱动简单，通过电流的能力强，特别是针对一些高压大电流的应用，具有相当大的成本优势，因此，在家电的电机控制以及工业设备中，如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的电机驱动，电磁炉，交流伺服系统，电焊机，太阳能逆变器，都获得了广泛的应用。 IGBT具有不同的内部结构，如早期的穿透型、非穿透型和现在广泛应用的场截止型，以及平面栅结构发展到沟槽栅结构，这些不同的内部结构的IGBT，具有不同的特性，因此也对应着不同的应用要求。本文将详细的介绍这些不同的结构，同时，论述这些结构的特性，增强对IGBT的认知感，从而正确的区别和选取不同的结构的IGBT，满足实际应用的要求。 1平面型IGBT的结构 功率MOSFET是N、P、N三层的结构 [1-]，从图1(a)可以看到，IGBT是N、P、N、P四层的结构，相对于功率MOSFET，下面多了一层P，因此，IGBT可以看作是一个小的控制MOSFET和一个大电流的三极管并联，同时，MOSFET的D极通过一个二极管连接到C极。 当G极上加电压时，和功率MOSFET的工作原理一样，在G极下面P变成N，形成反型层，从而形成电流流通的沟道，内部的MOSFET就导通。当MOSFET导通后，就将三极管的B极拉到地，从而将三极管导通，整个IGBT开通，开始工作。关断的过程如之类似。可以看到，IGBT相当于将绝缘栅简单的电压制特性与双极三极管器件的强大导电能力结合起来，因此，具有二者的优点。 背面的P区为IGBT的集电极，P 区命名为集电区是为了在电路应用上与BJT 的符号标记取得一致，但在器件物理上，实际为寄生 PNP 的发射区，因此，又称为 背发射区。 平面型IGBT有三种常用的内部结构：穿通型，PT（Punch Through），非穿通型，NPT（Non Punch Through），场截止型，FS（ Field Stop），如图1所示。下面分别介绍这三种结构及其特点。 1.1 平面穿通型IGBT结构及特点 穿通型是最早的一种结构，在制作这种结构的IGBT时，先以P型的衬底为基础，在P上依次通过生长的方式制作N缓冲层、N外延层，然后再制作内部的体P型区（Body P）和N型发射极区。这种工艺的过程是先制作三极管，然后再制作MOSFET。 可以看到，对于穿通型结构，由于衬底的厚度大，为了减小导通压降，必须在衬底P区采用重掺杂，高的注入效率，可以保证低的导通压降，但是，容易形成过剩的载流子，从而减慢关断的速度，形成大的电流拖尾，产生大的开关损耗。 少子的寿命越长，扩散长度就越大。在三极管中，为了保证少数载流子在基区的复合尽量少，以获得较大的电流放大系数和通过电流的能力，这样，必须把基区宽度缩短到少数载流子的扩散长度以下，因此，要求基区的少数载流子寿命越长越好。 在这种结构中，内部的二个P区中间的N区，是三极管的基极区，为了减小导通的压降，通常，N型基极区不能使用太大的厚度。P区的少子是电子，当N型的基极区厚度较小时，内部的体P区的少子，可以穿过整个的N型的基极区，进入到集电极的P区，这样，虽然减小了N型的基极区导通压降，但是，在关断的过程中，这些少子就容易形成更大的电流拖尾，显著的增大了开关损耗。因此，通常利用制作中间缓冲层可以减小N型基极区（高阻区）的厚度以及辐射照射的方法，改善导通压降VCES、电流拖尾和开关时间。 正因为内部的体P区的少子，可以穿过N型的基极区，进入到P型的集电极区，所以，这种结构称为穿通型结构。 集电结，也就是背发射结，具有重的掺杂浓度和高的注入效率，高的发射效率导致大量的空穴迅速从背面注入到N型基极区，电子流过表面反型沟道也注入到N型基极区，在基区形成强的的电导调制，得到较低的导通压降。但是，器件关断时，电子难以从背面的P型集电极区流出，几乎只能在N型基极区，依靠自身复合消而失，因此，这种结构的集电极区对电子而言，是非透明的，也就是关断时，IGBT的集电极无法抽取过剩载流子，产生电流拖尾，延缓器件关断，增大开关损耗，所以，穿通型结构的集电极也称非透明集电极。 为了解决上述问题，降低载流子寿命，只有依靠辐照技术。辐照工艺可能控制少子寿命，虽然可以减小电流的拖尾，但是，辐照导致IGBT的饱和导通电压VCES是负温度系数，不能并联工作，限制了在一些大功率系统中的应用。同时，VCES的负温度系数特性，也容易导致内部寄生的晶闸管发生电闩锁效应，从而损坏IGBT。; 由于少子寿命短，P型集电区的浓度高，内部的PNP晶体管增益大，温度升高时，少子寿命和内部晶体管的增益也随之增大，导致注入N型基极区的正电荷不断增加，关断速度减慢，开关损耗增大，同时，雪崩击穿电压也降低。 此外，这种结构的硅片的厚度大，因此热阻大，散