IGBT是什么？用在哪?

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在电力电子里面，最重要的一个元件就是IGBT。没有IGBT就不会有高铁的便捷生活。一说起IGBT，半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样，是国家“02专项”的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品，已经全面取代了传统的Power MOSFET，其应用非常广泛，小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的“CPU”，长期以来，该产品（包括芯片）还是被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中的第二位（简称“02专项”）。

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欢乐测试8

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GBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管。奇怪吧，它到底是MOSFET还是BJT？其实都不是又都是。不绕圈子了，他就是MOSFET和BJT的组合体。
MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的(Voltage-Controlled Bipolar Device)。从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

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lalala#95

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IGBT其实本质上还是一个场效应晶体管，从结构上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏电极增加了一个P+层，我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET，它依然是单一载流子(多子)导电，所以我们还没有发挥出它的极致性能。所以后来发展出一个新的结构，我们如何能够在Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗？所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection layer (这就是名字的由来)，而从结构上漏端就多了一个P+/N-drift的PN结，不过他是正偏的，所以它不影响导通反而增加了空穴注入效应，所以它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电。所以原来的source就变成了Emitter，而Drain就变成了Collector了。

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不知道#99

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从上面结构以及右边的等效电路图看出，它有两个等效的BJT背靠背链接起来的，它其实就是PNPN的Thyristor(晶闸管)，这个东西不是我们刻意做的，而是结构生成的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就说了，这样的结构最要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs，只要满足α1+α2<1就可以了。

另外，这样的结构好处是提高了电流驱动能力，但坏处是当器件关断时，沟道很快关断没有了多子电流，可是Collector (Drain)端这边还继续有少子空穴注入，所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current)，影响了器件的关断时间及工作频率。这个可是开关器件的大忌啊，所以又引入了一个结构在P+与N-drift之间加入N+buffer层，这一层的作用就是让器件在关断的时候，从Collector端注入的空穴迅速在N+

buffer层就被复合掉提高关断频率，我们称这种结构为PT-IGBT (Punch Through型)，而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBT。

一般情况下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少)，而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入较多而导致的三极管基区调制效应明显)，而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss)，所以如果需要同样的Vce(sat)，则NPT必须要增加drift厚度，所以Ron就增大了。

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IGBT的制程正面和标准BCD的LDMOS没差，只是背面比较难搞：

1) 背面减薄：一般要求6~8mil，这个厚度很难磨了，容易碎片。

2) 背面注入：都磨到6~8mil了，还要打High current P+ implant >E14的dose，很容易碎片的，必须有专门的设备dedicate。甚至第四代有两次Hi-current注入，更是挑战极限了。

3) 背面清洗：这个一般的SEZ就可以。

4) 背面金属化：这个只能用金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。

5) 背面Alloy：主要考虑wafer太薄了，容易翘曲碎片。

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逃命的慌乱

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1) 场截止FS-IGBT：

不管PT还是NPT结构都不能最终满足无限high power的要求，要做到high power，就必须要降低Vce(sat)，也就是降低Ron。所以必须要降低N-drift厚度，可是这个N-drift厚度又受到截止状态的电场约束(太薄了容易channel穿通)。所以如果要向降低drift厚度，必须要让截止电场到沟道前提前降下来。所以需要在P+ injection layer与N-drift之间引入一个N+场截止层(Field Stop, FS)，当IGBT处于关闭状态，电场在截止层内迅速降低到0，达到终止的目的，所以我们就可以进一步降低N-drift厚度达到降低Ron和Vce了。而且这个结构和N+ buffer结构非常类似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制关闭状态下的tailing电流提高关闭速度。

问题来了，这和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里？其实之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EPI做出来的，它是在P+ 衬底上长第一层~10um的N+ buffer，然后再长第二层~100um的N-Drift。这个cost很高啊！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基础上直接背面打入高浓度的N+截止层就好了，成本比较低，但是挑战是更薄的厚度下如何实现不碎片。

2) 阳极短接(SA: Shorted-Anode)：

它的结构是N+集电极间歇插入P+集电极，这样N+集电极直接接触场截止层并用作PN二极管的阴极，而P+还继续做它的FS-IGBT的集电极，它具有增强的电流特性且改变了成本结构，因为不需要共封装反并联二极管了。实验证明，它可以提高饱和电流，降低饱和压降(~12%)。

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IGBT你既可以把它当做一个MOSFET与PiN二极管串联，也可以当做是一个宽基区的PNP被MOSFET驱动(Darlington结构)，前者可以用来理解它的特性，后者才是他的原理。它看起来就是一个MOSFET的I-V曲线往后挪了一段(>0.7V)，因为沟道开启产生电流必须满足漂移区电流与漂移区电阻乘积超过0.7V，才能使得P+衬底与N-drift的PN结正向导通，这样才可以work，否则沟道开启也不能work的。

大家经常会听到第一代IGBT一直到第六代IGBT，这些是什么意思呢？

1) 第一代：他就是IGBT的雏形，最简单的原理结构图那种，所以他必须要提高N-drift来提高耐压，所以导通电阻和关断功耗都比较高，所以没有普及使用。

2) 第二代：PT-IGBT，由于耗尽层不能穿透N+缓冲层，所以基区电场加强呈梯形分布，所以可以减小芯片厚度从而减小功耗。这主要是西门子公司1990~1995年的产品BSM150GB120DN1("DN1"就是第一代的意思)。它主要在600V上有优势(类似GTR特性)，到1200V的时候遇到外延厚度大成本高、且可靠性低的问题(掺杂浓度以及厚度的均匀性差)。

3)第三代：NPT-IGBT，不再采用外延技术，而是采用离子注入的技术来生成P+集电极(透明集电极技术)，可以精准的控制结深而控制发射效率尽可能低，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，可以保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗，同时具有正温度系数特点，所以技术比较成熟在稳态损耗和关断损耗间取得了很好的折中，所以被广泛采用。代表公司依然是西门子公司率先采用FZ(区熔法)代替外延的批量产品，代表产品BSM200GB120DN2，VCE>1200V, Vce(sat)=2.1V。

4)第四代：Trench-IGBT，最大的改进是采用Trench结构，是的沟道从表面跑到了垂直面上，所以基区的PIN效应增强，栅极附近载流子浓度增大，从而提高了电导调制效应减小了导通电阻，同时由于沟道不在表面，所以消除了JFET效应，所以栅极密度增加不受限制，而且在第四代IGBT继续沿用了第三代的集电极P+implant技术同时加入了第二代的PT技术作为场终止层，有效特高耐压能力等。需要使用双注入技术，难度较大。这个时候是英飞凌的时代了，Infineon的减薄技术世界第一，它的厚度在1200V的时候可以降低到120um~140um(NPT-IGBT需要200um)，甚至在600V可以降低到70um。

5)第五代：FS-IGBT和第六代的FS-Trench，第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构，并以新的面貌出现。

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品管人生

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IGBT绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

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