IGBT是啥？看完這篇文章我不信你還不明白

　　電的發(fā)現(xiàn)是人類歷史的革命，由它產(chǎn)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(dǎo)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(xiàng)”的重點(diǎn)扶持項(xiàng)目，這玩意是現(xiàn)在目前功率電子器件里 技術(shù)最先進(jìn)的產(chǎn)品，已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET，其應(yīng)用非常廣泛，小到家電、大到飛機(jī)、艦船、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，長期以來，該產(chǎn)品(包括芯片)還 是被壟斷在少數(shù)IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期間國家16個重大技術(shù)突破專項(xiàng)中的第二位(簡稱 “02專項(xiàng)”)。

　　究竟IGBT是何方神圣?讓我們一起來學(xué)習(xí)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(shí)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(yōu)缺點(diǎn)，MOSFET主要是單一載流子(多子)導(dǎo)電，而BJT是兩種載流子導(dǎo)電，所以BJT的驅(qū)動電流 會比MOSFET大，但是MOSFET的控制級柵極是靠場效應(yīng)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(yōu) 點(diǎn)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(dá)到大電流(低導(dǎo)通壓降)的目的(Voltage- Controlled Bipolar Device)。從而達(dá)到驅(qū)動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應(yīng)用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電 路、牽引傳動等領(lǐng)域。

　　2、傳統(tǒng)的功率MOSFET

　　為了等一下便于理解IGBT，我還是先講下Power MOSFET的結(jié)構(gòu)。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(jié)合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓、大電流。

　　1)高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導(dǎo)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(jié)擊穿只能靠降低PN結(jié)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(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區(qū)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(kuò)散的結(jié)深差來控制，所以只要process穩(wěn)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?qū)崿F(xiàn)大功率要求，可是它依然有它固有的缺點(diǎn)，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(fèi)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(lián)則復(fù)雜性增加而且需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區(qū)長度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結(jié)構(gòu)更利于管子之間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大 功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結(jié)構(gòu)，為了與CMOS兼容。

　　再給大家講一下VDMOS的發(fā)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(fā)制作出來 的(如下圖)，他就是傳說中的Planar VDMOS，它和傳統(tǒng)的LDMOS比挑戰(zhàn)在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)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(diǎn)，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)天生的缺點(diǎn)是槽太深容易電 場集中而導(dǎo)致?lián)舸夜に囯y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(chǎn)生應(yīng)力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點(diǎn)是晶飽數(shù)量比原來 多很多，所以可以實(shí)現(xiàn)更多的晶體管并聯(lián)，比較適合低電壓大電流的application。

　　還有一個經(jīng)典的東西叫做CoolMOS，大家自己google學(xué)習(xí)吧。他應(yīng)該算是Power MOS撐電壓最高的了，可以到1000V。

　　3、IGBT的結(jié)構(gòu)和原理

　　上面介紹了Power MOSFET，而IGBT其實(shí)本質(zhì)上還是一個場效應(yīng)晶體管，從結(jié)構(gòu)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(shí)根本上來講它還是傳統(tǒng)的MOSFET，它依然是單一載流子(多子)導(dǎo)電，所以我們還沒有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來發(fā)展出一個新的結(jié) 構(gòu)，我們?nèi)绾文軌蛟赑ower MOSFET導(dǎo)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(jié)構(gòu)上漏端就多了一個P /N-drift的PN結(jié)，不過他是正偏的，所以它不影響導(dǎo)通反而增加了空穴注入效應(yīng)，所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導(dǎo)電。所以原來的 source就變成了Emitter，而Drain就變成了Collector了。

　　從上面結(jié)構(gòu)以及右邊的等效電路圖看出

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