1.1.3 Si IGBT

1.1.3.1 IGBT基本原理

MOSFET是单极型器件，通流能力相对较差，即使采用超级结技术，为了获得更大的通流能力，只能不断增大芯片面积，导致结电容过大，器件特性变差且通流能力有限。例如商用650V SJ-MOSFET的最低R_DS(on)在20mΩ左右，电流等级在100A左右；800V SJ-MOSFET的最低R_DS(on)在280mΩ左右，电流等级在17A左右。而IGBT为双极型器件，具有电导调制效应，能大幅度提升器件的通流能力。

IGBT全称为绝缘栅双极型场效应晶体管，即Insulated Gate Bipolar Transistor，是将VDMOS中漏极的n+层替换为p+层构成的，如图1-16a所示，具有发射极（Emitter）、门极（Gate）和集电极（Collector）三极。IGBT拥有三个pn结：集电极p+区与n-区的pn结J₁、n-区与p基区pn结J₂、p基区与发射极n+区的pn结J₃。故IGBT具有寄生pnp晶体管T₁和npn晶体管T₂，同时还具有MOSFET结构，其等效电路如图1-16b所示。

IGBT工作原理如图1-17所示，当V_CE>0V时，J₁正偏、J₂反偏。当V_GE>0V时，感应出电子沟道，电子由射极n+区流入n-区，降低了n-区电位，使得J₁进一步正偏，p基区向n-区注入大量空穴，其中一部分与射极n+区流入的电子复合形成连续的沟道电子电流，另一部分由反偏的J₂的电场扫入射极n+区。而当V_GE≤0V时，由于没有电子流入n-区，无法为T₁提供基极电流，IGBT处于正向阻断状态，由反向偏置的J₂承担电压。故IGBT可以看作是由MOSFET控制的晶体管。

由于IGBT在导通期间n-区积累了大量非平衡载流子，只有当它们完全复合消失后才会进入阻断状态，在关断过程中形成拖尾电流，导致其关断时间比MOSFET要长得多，限制了其开关频率一般在100kHz以下。此外，与VDMOS不同，当V_CE<0V时，寄生的pnp晶体管的发射结处于反偏，无法流过电流，故IGBT无法实现反向导通，在使用中需要额外使用反并联二极管。

1.1.3.2 IGBT种类与结构

1.PT-IGBT与NPT-IGBT

最早的IGBT的纵向耐压结构是穿通型IGBT（PT-IGBT），如图1-18所示。当V_CE>0V，J₂结反偏，耗尽层向n-区扩展，穿通n-区到n缓冲区，从而形成近似梯形的电场强度分布。由于p+区较厚，且掺杂浓度较高，PT-IGBT的J₁注入效率高、导通压降低，但是导通时在n-区存有大量非平衡载流子，从而使得关断拖尾电流时间较长。一种比较直接的方法是引入载流子寿命控制技术，通过对器件关键区域进行高能电子辐照、重金属掺杂等方式，对材料的复合中心进行改善，控制载流子的寿命。尽管改进后关断特性有所改善，往往会引入器件参数漂移、特性退化、稳定性差等问题。

除了上述导通压降和开关特性之间的矛盾，PT-IGBT还存在着通态压降在纵向分布不均的固有缺陷，且载流子寿命随温度升高而变长，器件呈负温度系数，不利于器件的并联使用。此外，这种IGBT是在较厚的p+衬底上运用外延工艺制作上面的n-区和MOS结构，成本较高。

随着透明集电区技术的发展，如图1-19所示，非穿通型IGBT（NPT-IGBT）直接在低掺杂n型区熔硅单晶片上加工，集电极侧用离子注入形成p+区。在J₂反偏时耗尽层向n-区扩展，由于n-区较厚，当J₂的峰值电场达到临界击穿电场时依然不会穿通n-区，这就使得其电场分布为三角形，使通态压降在纵向分布更加均匀。用离子注入的方式生成p+区，能降低J₁结的空穴注入效率，减少拖尾时间。此外，NPT-IGBT的载流子寿命受温度影响小，而载流子迁移率的降低和接触电阻的增加明显，器件呈正温度系数，抗短路能力和抗动态雪崩能力很强，利于并联使用。但是NPT-IGBT有一个明显的缺陷，就是漂移区太厚，导致关断损耗较大。

2.FS-IGBT

随着减薄工艺的发展，漂移区可以做得很薄，从而改善了导通压降的问题。但随之而来的另一个问题是，如何能在满足阻断耐压的同时，尽可能减小导通压降。场阻止型IGBT（FS-IGBT）能对此矛盾进行折中。

如图1-20所示，FS-IGBT在减薄技术、高能离子注入技术发展成熟的前提下，在晶圆背面通过离子注入形成一层几微米厚的场阻止层，其掺杂浓度相对PT-IGBT的缓冲层的浓度低一些，只对电场进行压缩，不阻碍空穴注入。这样，就可以形成类似PT-IGBT的梯形电场分布。集电极p+区也采用透明集电极技术，即电子空穴注入效率相对较低，器件关断拖尾时间短。FS-IGBT温度特性和稳定性都与NPT-IGBT基本相同。此外，FS-IGBT的n-区比NPT-IGBT更薄，导通压降更小，关断需要收取的载流子更少，关断损耗更小。在FS-IGBT的基础上，又出现了弱穿通（LPT）、软穿通（SPT）等IGBT。

3.沟槽栅IGBT

除了在纵向耐压结构上对IGBT进行改良，在横向方面，也将平面栅改成沟槽栅，如图1-21所示。与沟槽栅MOSFET相似，相比平面栅，沟槽栅使IGBT的沟道密度更大，表面利用效率更高，同时避免了JFET效应，减小了导通压降，增大了器件通流能力。但是沟槽栅结构也存在一些缺陷，会导致门极-集电极电容增加，影响其频率特性，限制高频的应用；同时，使IGBT的抗雪崩能力和抗短路能力降低。