IGBT

IGBT的寫法

IGBT介紹

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及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。

結構

下圖所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構，N+區稱為源區，附于其上的電極稱為源極。P+區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P型區（包括P+和P一區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（Subchannelregion）。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區（Draininjector），它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。

IGBT結構圖

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對N一層進行電導調制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。

發展歷史

1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。這種器件表現為一個類晶閘管的結構（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。80年代初期，用于功率MOSFET制造技術的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體）工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個時候，硅芯片的結構是一種較厚的NPT（非穿通）型設計。后來，通過采用PT（穿通）型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的[3]。幾年當中，這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結構，其設計規則從5微米先進到3微米。90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結構。[4]在這種溝槽結構中，實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是采用非穿通（NPT）結構，繼而變化成弱穿通（LPT）結構，這就使安全工作區（SOA）得到同表面柵結構演變類似的改善。這次從穿通（PT）型技術先進到非穿通（NPT）型技術，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術會有比較高的載流子注入系數，而由于它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術又被軟穿通（LPT）技術所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片結構，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向導通型”（逆導型）功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優化。IGBT功率模塊采用IC驅動，各種驅動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術，從復合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發展，其產品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統效率，現已開發成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發展熱點?，F在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已制造出集成化的IGBT專用驅動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

輸出特性與轉移特性

IGBT與MOSFET的對比MOSEFT全稱功率場效應晶體管。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。主要優點：熱穩定性好、安全工作區大。缺點：擊穿電壓低，工作電流小。IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產物。它的三個極分別是集電極(C)、發射極(E)和柵極(G)。特點：擊穿電壓可達1200V，集電極飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上，工作頻率可達20kHz。

工作特性

靜態特性

IGBT的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似．也可分為飽和區1、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應用范圍。

IGBT的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時，IGBT處于關斷狀態。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內，Id與Ugs呈線性關系。柵源電壓受漏極電流限制，其值一般取為15V左右。

IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態時，由于它的PNP晶體管為寬基區晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on)可用下式表示

Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh

式中Uj1——JI結的正向電壓，其值為0.7～1V；Udr——擴展電阻Rdr上的壓降；Roh——溝道電阻。

通態電流Ids可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos——流過MOSFET的電流。

由于N+區存在電導調制效應，所以IGBT的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT通態壓降為2～3V。IGBT處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。

動態特性

IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓Uds下降過程后期，PNP晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成。

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極-發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1ｕm以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。