igbt工作原理和作用

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　　IGBT是絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。兼有金氧半場(chǎng)效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大。

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　　MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

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　　IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）金氧半場(chǎng)效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

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　　IGBT選型四個(gè)基本要求

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　　1、安全工作區(qū)

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　　在安全上面，主要指的就是電的特性，除了常規(guī)的變壓電流以外，還有RBSOA（反向偏置安全工作區(qū)）和短路時(shí)候的保護(hù)。這個(gè)是開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)候的波形，這個(gè)是相關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)候的定義。我們做設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)溫的要求，比如長(zhǎng)期工作必須保證溫度在安全結(jié)溫之內(nèi)，做到這個(gè)保證的前提是需要把這個(gè)模塊相關(guān)的應(yīng)用參數(shù)提供出來(lái)。這樣結(jié)合這個(gè)參數(shù)以后，結(jié)合選擇的IGBT的芯片，還有封裝和電流，來(lái)計(jì)算產(chǎn)品的功耗和結(jié)溫，是否滿(mǎn)足安全結(jié)溫的需求。

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　　2、熱限制

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　　熱限制就是我們脈沖功，時(shí)間比較短，它可能不是一個(gè)長(zhǎng)期的工作點(diǎn)，可能突然增加，這個(gè)時(shí)候就涉及到另外一個(gè)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)熱阻，我們叫做熱阻抗。這個(gè)波動(dòng)量會(huì)直接影響到IGBT的可靠性，就是壽命問(wèn)題。你可以看到50赫茲波動(dòng)量非常小，這個(gè)壽命才長(zhǎng)。

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　　3、封裝要求

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　　封裝要求主要體現(xiàn)在外部封裝材料上面，在結(jié)構(gòu)上面，其實(shí)也會(huì)和封裝相關(guān)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)布局和結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，不同的設(shè)計(jì)它的差異性很大。

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　　4、可靠性要求

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　　可靠性問(wèn)題，剛才說(shuō)到結(jié)溫波動(dòng)，其中最擔(dān)心就是結(jié)溫波動(dòng)以后，會(huì)影響到這個(gè)綁定線和硅片之間的焊接，時(shí)間久了，這兩種材料本身之間的熱抗系數(shù)都有差異，所以在結(jié)溫波動(dòng)情況下，長(zhǎng)時(shí)間下來(lái)，如果工藝不好的話，就會(huì)出現(xiàn)裂痕甚至斷裂，這樣就會(huì)影響保護(hù)壓降，進(jìn)一步導(dǎo)致ICBT失效。第二個(gè)就是熱循環(huán)，主要體現(xiàn)在硅片和DCB這個(gè)材料之間，他們之間的差異性。如果失效了以后，就分層了，材料與材料之間特性不一樣，就變成這樣情況的東西，這個(gè)失效很明顯。

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　　IGBT的工作原理

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　　1.開(kāi)機(jī)

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　　IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET非常相似。主要區(qū)別在于IGBT增加了P+襯底和N+緩沖層。其中一個(gè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件。襯底的應(yīng)用在管體的 P+ 和 N+ 區(qū)域之間創(chuàng)建了 J1 結(jié)。當(dāng)正柵極偏壓使柵極下方的P基區(qū)反轉(zhuǎn)時(shí)，形成N溝道。同時(shí)出現(xiàn)電子電流，電流的產(chǎn)生方式與功率MOSFET完全相同。如果該電子流產(chǎn)生的電壓在 0.7V 范圍內(nèi)，J1 將正向偏置。一些空穴被注入到 N 區(qū)并調(diào)整陰極和陽(yáng)極之間的電阻率。以這種方式，減少了功率傳導(dǎo)的總損耗，并開(kāi)始了第二次充電流。最終結(jié)果是在半導(dǎo)體層次結(jié)構(gòu)中暫時(shí)出現(xiàn)了兩種不同的電流拓?fù)洌弘娮恿鳎∕OSFET 電流）；空穴電流（雙極）。

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　　2.關(guān)機(jī)

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　　當(dāng)對(duì)柵極施加負(fù)偏壓或柵極電壓低于閾值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N區(qū)。在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，則集電極電流會(huì)逐漸下降。這是因?yàn)?，換相開(kāi)始后，N層中仍有少量載流子（次載流子）。此剩余電流值（喚醒電流）的減少完全取決于關(guān)閉時(shí)的電荷密度。密度與幾個(gè)因素有關(guān)，例如摻雜劑的數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、層厚和溫度。少數(shù)載流子的衰減導(dǎo)致集電極電流具有特征性的尾流波形。集電極電流會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題： 1. 功耗增加；2.二極管。

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　　由于尾流與少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，因此尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度和與IC和VCE密切相關(guān)的空穴遷移率密切相關(guān)。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，減少電流對(duì)終端設(shè)備設(shè)計(jì)的這種不良影響是可行的。

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　　3.阻塞和鎖定

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　　當(dāng)在集電極上施加反向電壓時(shí)，J1 將受到反向偏壓的控制，耗盡層將擴(kuò)展到 N 區(qū)。如果該層的厚度減少太多，將無(wú)法獲得有效的阻擋能力。因此，這種機(jī)制非常重要。另一方面，如果你將這個(gè)區(qū)域的大小增加太多，它會(huì)不斷增加壓降。第二點(diǎn)清楚地解釋了為什么 NPT 器件的電壓降高于等效（IC 和速度相同）的 PT 器件。

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　　當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端施加正電壓時(shí)，P/N J3結(jié)由反向電壓控制。此時(shí)，N漂移區(qū)的耗盡層仍承受外加電壓。

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　　一般情況下，靜態(tài)鎖存器和動(dòng)態(tài)鎖存器的主要區(qū)別如下：

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　　當(dāng)晶閘管都打開(kāi)，靜態(tài)鎖存發(fā)生。動(dòng)態(tài)閉鎖僅在晶閘管關(guān)斷時(shí)發(fā)生。這種特殊現(xiàn)象嚴(yán)重限制了安全操作區(qū)域。為了防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，需要采取以下措施：防止NPN部分導(dǎo)通，分別改變布局和摻雜水平，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，鎖存電流對(duì) PNP 和 NPN 器件的電流增益有一定的影響。因此，它與結(jié)溫有非常密切的關(guān)系；當(dāng)結(jié)溫和增益增加時(shí)，P基區(qū)的電阻率會(huì)增加，破壞整體特性。所以，

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　　五、IGBT的歷史

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　　1979年，MOS柵極功率開(kāi)關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)被引入世界。該器件外觀為類(lèi)晶閘管結(jié)構(gòu)（PNPN四層組成），其特點(diǎn)是通過(guò)強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成V型槽柵。

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　　1980年代初，IGBT采用了用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（Double Diffusion Formed Metal-Oxide-Semiconductor）工藝。當(dāng)時(shí)的硅片結(jié)構(gòu)是較厚的NPT（non-punch through）型設(shè)計(jì)。后來(lái)通過(guò)使用PT（punch-through）結(jié)構(gòu)方法，在參數(shù)權(quán)衡上獲得了顯著的提升。這是由于硅晶片外延技術(shù)的進(jìn)步以及為給定阻斷電壓設(shè)計(jì)的 n+ 緩沖層的使用。在過(guò)去的幾年里，這種在PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則已經(jīng)從5微米進(jìn)步到3微米。

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　　1990年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)回歸到IGBT的新概念，它是借用大規(guī)模集成（LSI）工藝的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種新刻蝕工藝，但仍然是punch-through（ PT) 型芯片結(jié)構(gòu)。在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間權(quán)衡的更重要的改進(jìn)。

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　　穿通（PT）技術(shù)具有較高的載流子注入系數(shù)，由于需要控制少數(shù)載流子的壽命，因此其傳輸效率變差。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)是基于不扼殺少數(shù)載流子壽命，具有良好的傳輸效率，但其載流子注入系數(shù)相對(duì)較低。此外，非穿通（NPT）技術(shù)已被軟穿通（LPT）技術(shù)所取代，類(lèi)似于一些人所說(shuō)的“軟穿通”（SPT）或“電場(chǎng)截止” (FS)型技術(shù)，這使得“性?xún)r(jià)比”的整體效果得到了進(jìn)一步的提升。

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　　1996年，CSTBT（載流子存儲(chǔ)溝槽柵雙極晶體管）實(shí)現(xiàn)了第五代IGBT模塊，該模塊采用弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，采用更先進(jìn)的寬單元間距設(shè)計(jì)。目前，IGBT器件的“反向阻斷型”功能或“反向傳導(dǎo)型”功能等新概念正在研究中，以進(jìn)一步優(yōu)化。

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