IGBT發(fā)展歷程

1、GPINCEN-G G（多晶硅）（多晶硅）耐壓層耐壓層 N-緩沖層緩沖層 N集電區(qū)集電區(qū) P+PNPNPNPNC CN N+ +阱 PE E（AlAl）PNPPNPMOSFEMOSFETPIN PIN 二極管二極管區(qū)區(qū)源區(qū)P+N N+ +空穴空穴SiO2電子電子RE （背發(fā)射極）（背發(fā)射極）CB圖三圖三 IGBT等效電路等效電路(b) (b) 柵源正偏柵源正偏PIN PIN 二極管二極管EGCPNPPNPPNPPNP(a) (a) 全結構全結構PINPINGNPNNPNCREC（c c）柵源反偏）柵源反偏EBCE（研究擊穿電壓用）（研究擊穿電壓用）( (研究飽和壓降用）研究飽和壓降用）3. 主

2、要電參數(shù)及其決定因素主要電參數(shù)及其決定因素集電極集電極- -發(fā)射極間耐壓發(fā)射極間耐壓 外延層厚度（外延層厚度（10V/10V/m)m)； 結終端效率結終端效率 集電極集電極- -發(fā)射極飽和電壓發(fā)射極飽和電壓 N-N-基區(qū)寬度；基區(qū)寬度； 載流子壽命控制載流子壽命控制最大耗散功率最大耗散功率 最高結溫最高結溫; 管芯熱阻管芯熱阻(芯片大小芯片大小, 硅片厚度，背金硅片厚度，背金)開關時間開關時間 N-N-基區(qū)寬度；基區(qū)寬度； 載流子壽命控制載流子壽命控制最高結溫最高結溫 工藝工藝( ( 硅硅IGBT 150IGBT 150，175175) )最大集電極電流最大集電極電流 最大耗散功率；最大耗散功

3、率； 集電極集電極- -發(fā)射極飽和電壓發(fā)射極飽和電壓 短路耐受時間短路耐受時間 短路電流短路電流( (跨導跨導) )；寄生電阻；寄生電阻R R；熱阻；熱阻；電源電壓電源電壓 飽和壓降飽和壓降 VCECEsat (V)Turn off time (us)1100100.1NPTNPTPTPT6 4 2 （早期已被淘汰）（早期已被淘汰）P PN N- -P P+ +P PN N-P P+ +N NPTPTNPTNPTX XE ENPTNPTPTPTsubstratesubstratesubstratesubstrate對于早期用外延片做的非透明集電區(qū)IGBT,由于NPT型功耗大，一開始就被否定，只

4、有PT型投產(chǎn)擊穿電壓下?lián)舸╇妷合聢鰪姳容^場強比較01 12 23 3125125 2525 V VCE CE (V)(V)200 I IC C(A)(A)100200200 Eoff技術發(fā)展技術發(fā)展 VCEsat 功率器件的技術線功率器件的技術線（E EoffoffVVCECEsat trade-offsat trade-off曲線）曲線） 技術線（功耗折衷線）技術線（功耗折衷線）0PG近表近表層層NCGE耐耐壓壓層層集集電電區(qū)區(qū)P+N-近表面層載流子濃度近表面層載流子濃度增強技增強技術術(Trench， IE,EP,CS,HC)電場中止技術電場中止技術( FS，SPT，LPT, CPT )透

5、明電極（區(qū)）透明電極（區(qū)）技術技術(TC)VCE(sat)EoffVCE(sat) 降低成本（不用外延）降低成本（不用外延） 提高頻率（提高頻率（Eoff） VCE(sat)正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)PGNCGEP+N-外延襯底PCN-襯底GGENNNNP（1m）離子注入NPTIGBTPTIGBT電子空穴0BVCEA 區(qū)B 區(qū)WN-擊穿電壓與擊穿電壓與WN- 的關系的關系VIB區(qū)A區(qū)0不同不同N-區(qū)寬度所對應的區(qū)寬度所對應的I-V 特性 PT NPT510050100V VCE(sat) CE(sat) （V V）E Eoffoff（mJ)mJ)功耗技術曲線功耗技術曲線 溫度特性溫度特性012345

6、67PT125125 NPTVCEsat (V) (c)200IC(A)100RTRTRT (a) NPT-IGBT關斷特性(125) (b) PT-IGBT關斷特性(125) (c) PT-IGBT 關斷特性(25) (d) NPT-IGBT關斷特性1(25 )例例 Infineon，Toshiba例例 Infineon IGBT3 N,N,擴散擴散03.4510 Trench NPT Trench FS 平面平面 FS 平面平面 NPTVCE(sat) (V) （Eon+Eoff）(mJ)2.21NNNNPN-CPNGGETrench FS-IGBT溝道溝槽柵PIN區(qū)區(qū)空穴積累PCN-GG

7、ENNSPTPFS層PCN-GGENNFS-IGBTPN注入或外延注入或外延FS層PCN-襯襯底底GGENNP P（1m1m）離子注入離子注入NPTIGBT空穴空穴電子電子TC例：例：Siemens例：ABB，北京工業(yè)大學北京工業(yè)大學V VCE(sat)CE(sat) (V)(V)36364.64.6Eoff (mJ)262616162 2Vcc=900VVcc=900V Ic=100AIc=100ANPTNPTSPTSPT3 34 4P P阱阱N N- - 耐壓層耐壓層P+P+集電區(qū)集電區(qū)JIJIP P阱阱N N- -N NP+P+P P阱阱N N- - N NP+P+EX擊穿電壓擊穿電壓工

8、作電壓工作電壓EX擊穿電壓擊穿電壓工作電壓工作電壓EX擊穿電壓擊穿電壓工作電壓工作電壓圖六各種類型圖六各種類型IGBTIGBT中中N-N-區(qū)寬度與耗盡層的關系區(qū)寬度與耗盡層的關系（a a）非穿通型（）非穿通型（b b）軟穿通型）軟穿通型 (c)(c)電場中止型（穿通型電場中止型（穿通型）緩沖層緩沖層(a) NPT(b) SPT(c) FS(c) FS(b) SPT(a) NPT三種類型三種類型 IGBT的主要性能比較的主要性能比較（1200V IGBT配配CAL FRD）4.5 CPT (控制穿通控制穿通IGBT)（CPT續(xù)）續(xù)）已經(jīng)達到指標：條件：4.5kV, 42A/cm4.5kV, 42

9、A/cm2 2, 25, 25水平：水平：1.8V (220mJ/ cm1.8V (220mJ/ cm2 2) ) 2.1V (150 mJ/ cm 2.1V (150 mJ/ cm2 2) ) 2.5V (100 mJ/ cm 2.5V (100 mJ/ cm2 2) ) 2.8V (80 mJ/ cm 2.8V (80 mJ/ cm2 2) ) VCE(sat)Eoff發(fā)射極PPN+PPNNNN-IE 區(qū)域N N發(fā)射區(qū)柵氧 化 層 PN緩沖層P集電區(qū)集電極柵極 cm2，398K下 NCS層層PPPGC 寬元胞寬元胞 LPT CSTBTNNENNN 發(fā)射極發(fā)射極 N N型空穴型空穴阻擋層阻擋層P+ P + 集電極集電極+ N N N- 局域載流子壽局域載流子壽命控制層命控制層 NNN N空穴積累高空穴積累高電導區(qū)電導區(qū)IC(A) 5.0 3.7200 150 100 50 0VCE(V)CHiGT IGBT V VGEGE=15V=15V T=125T=1250 10 0 10 2020空穴PNP效應區(qū)PNP效應區(qū)I E PIN效效應區(qū)應區(qū)N N 型載流子增強層 柵 溝道 發(fā)射極集電極空穴PNP效應區(qū)PNP效應區(qū)注入空穴注入空穴濃度增強濃度