绝缘栅双极型晶体管

1、结构特点与典型工艺

     绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是指具有导电沟道和pn结，且流过沟道和结的电流由施加在栅极和集-射极之间电压产生的电场控制的晶体管。

     常见有单管塑封、压接式封装及模块封装等。600V/100A以下的小功率多采用塑封；4.5kV/1kA的大功率多采用平板压接式封装，而1.2kV～4.5kV/100～150A的中功率多采用模块封装，包括传统的焊接式模块和新型压接式模块。

       PT型结构适合阻断电压低于1.2kV的IGBT，NPT型结构适合阻断电压在1.2～4.5kV 的IGBT，FS型结构合适阻断电压在4.5kV以上的IGBT。

2、工作原理与I-V特性

         图1 IGBT结构及等效电路

         图2 IGBT的I-U特性曲线及电路符号

     在较低的U_GE下，随U_CE的增加，I_C变化较小；在较高的U_G下，I_C随U_CE的增加而增加，使NPT-IGBT与PT-IGBT的I-U特性曲线都向上倾斜，且NPT-IGBT的I-U特性曲线上倾更严。这有两个原因：一是IGBT中也存在MOS有效沟道的长度调变效应；二是pnp晶体管的电流放大系数与U_CE有关，并随U_CE增加而变化。

       对于NPT-IGBT结构而言，W_L随外加电压U_CE增加而减小，故其α_pnp随U_CE增加而增大。α_pnp增大必然引起I_C增大。所以，对NPT-IGBT 结构而言，除了沟道的长度调变效应外，pnp晶体管的电流放大系数也会导致集电极电流随U_CE增加而增大。

      对于PT-IGBT结构而言，W_L为n缓冲层的厚度W_n，故pnp晶体管的α_pnp随U_CE而变化， 不会引起I_C的变化。所以，PT-IGBT的I-U特性只受有效沟道长度调变效应的影响，使得集电极电流随U_CE增大而向上倾斜的程度较小。在实际应用中，工作在线性放大区的IGBT，希望I-U特性曲线越平越好。

        图3 NPT-IGBT与PT-IGBT的I-U的特性比较

3、特性参数

  （1）阈值电压U_T是指IGBT导通所需的最小栅-射极电压。U_T值过小，抗干扰能力差，易引起器件误导通或误触发。IGBT单管的U_T通常在3～5V之间。在实际应用中，可根据需要选取合适的栅极电压，通常栅极电压约为U_T的2.5倍。

  （2）跨导g_m在一定的集射极电压U_CE下，栅-射极电压U_GE变化引起集电极电流I_C的变化。表示栅极电压控制集电极电流的能力。

  （3）集-射极击穿电压U_(BR)CES指IGBT内部的pnp晶体管所能承受的电压，它决定了IGBT的电压定额。

  （4）最大集电极电流I_Cmax指在额定的温度下，IGBT所允许的集电极最大直流电流I_C和脉宽为1ms时的最大脉冲电流I_CP，决定了IGBT的电流定额。

  （5）集-射极饱和电压U_CEsat指在规定的栅-射极电压和集电极电流条件下，IGBT饱和导通时的集射极电压的最大值，它表示IGBT通态功耗的大小。通常U_CEsat在1.5～3V之间。

   （6）最大集电极功耗P_Cmax在正常工作温度下允许的最大耗散功率。由IGBT所允许的最高结温决定。

   （7）最大闩锁电流I_LS在正常工作温度下，IGBT发生闩锁时所对应的最大集电极电流。 要求IGBT正常工作时的集电极电流I_C必须小于I_LS。

   （8）栅-射击穿电压U_(BR)GE是指栅氧化层的击穿电压，它决定了栅射极间能承受的最高电压。当U_GE高于U_(BR)GE时，会导致绝缘层击穿。通常栅氧化层厚度为50～100nm，其绝缘击穿电压约为80V。为了保证IGBT能可靠工作，并限制其故障状态下的电流，栅-射极电压通常限制在20V以内。

   （9）输入电容C_ies是指集-射极交流短路时，栅-射极之间的电容，直接影响IGBT栅极驱动电路的可靠性设计。考虑到密勒效应，栅极驱动能力应大于手册中给定值的2～3倍。

   （10）输出电容C_oes是指栅-射极交流短路时，集-射极之间的电容，直接影响IGBT的频率特性。

4、静态与动态特性

4.1通态特性

    导通状态下IGBT可采用pin二极管/MOSFET串联模型来描述。于是IGBT的饱和电压为pin二极管的压降与MOSFET沟道两端的压降之和。

      IGBT的饱和电压U_F,IGBT与α_pnp、少子寿命、Z/L及U_GE等有关，分析如下：

     (1)U_F,IGBT PT-IGBT的α_pnp比NPT-IGBT的大，故PT-IGBT的饱和电压较小。

     (2)U_F,IGBT τ_p增加，双极扩散长度L_a增大，α_pnp增加，导致U_F,IGBT下降。少子寿命对U_F的影响与对关断特性的影响相矛盾。

     (3)U_F,IGBT当U_GE较低时，MOSFET的压降U_F,MOS较大，导致U_F,IGBT较高。当U_GE较高时， U_F,MOS减小，U_F,IGBT主要由U_F,pin决定，其值较小。故IGBT的饱和电压随栅压U_GE增加而下降。

4.2阻断特性

（1）正向阻断特性

    正向阻断电压与n-漂移区、p基区、元胞间距及阳极pnp晶体管的电流放大系数α_pnp等参数有关。

    由于PT-IGBT的n-基区较薄、p+集电区掺杂浓度高，故其α_pnp比NPT-IGBT的大。并且，α_pnp随温度升高而增大，导致其漏电流进一步增加。所以，PT-IGBT的高温阻断特性要比NPT-IGBT的差。

     采用弱穿通（LPT）型耐压结构有利于降低IGBT的饱和电压U_CEsat和关断能耗E_off，并在不影响其特性的条件下，可以改善IGBT的反偏安全工作区（RBSOA）和短路安全工作区（SCSOA）。LPT-IGBT适用于6.5kV的高压应用场合。

      软穿通（SPT）型和可控穿通（CPT）型。nSPT层的掺杂浓度较低、厚度较厚，因此只对n-漂移区的电场起压缩作用，对p+集电区注入的空穴阻断作用很弱。CPT型结构中，n1CPT层可以压缩n-漂移区电场，n2CPT层可以调整集电区空穴注入效率。与SPT型结构相比较，采用CPT型结构可以使芯片更薄，使器件饱和电压和开关速度得到更好的协调。

           图4 NPT与LPT的耐压结构比较

         图5 SPT和CPT掺杂分布及电场强度分布

（2）反向阻断特性：IGBT的反向阻断能力很弱。

4.3开关特性

        图6 IGBT开通和关断电流、电压波形

     IGBT的关断过程也分两个阶段：一是沟道电流消失过程；二是少子复合消失过程。

     在开通过程中，对于阻性负载，当集电极电流开始上升时，对应的u_CE就开始下降；对于感性负载，当集电极电流开始上升时，u_CE会延迟一段时间t_r后才开始下降。

      在关断过程中，对于阻性负载，当沟道消失后，电子电流为零时，J₂结电容开始放电， u_CE上升较慢。对于感性负载，由J₂结的电容放电产生的位移电流和负载电感导致u_CE上升很快， 过冲后又回到电源电压。该过电压尖峰易引发寄生的晶闸管导通，导致IGBT出现动态闩锁，关断IGBT时必须采用吸收电路对du_CE/dt加以限制。

     开通时间：定义为从栅极电压u_GE上升到0.1U_GM至集电极电流上升到0.9I_CM为止所经历的时间，由开通延迟时间t_d(on)和电流上升时间t_r组成。

     为了改善IGBT的关断特性，可通过降低少子寿命和减小pnp晶体管的电流放大系数来实现。通常从结构设计和制作工艺两方面来考虑：

     从结构上考虑，对于PT-IGBT而言，因采用外延片制作，其集电区掺杂浓度较高、厚度较厚，在导通时的注入效率很高，空穴电流约占总电流的40%～45%，所以通态特性较好， 但关断特性较差。可通过减薄n-漂移区来调节基区输运系数、增加n缓冲层来控制其注入效率，从而降低pnp晶体管的电流放大系数。对于NPT-IGBT而言，因采用原始区熔单晶制作，其集电区是通过离子注入形成的透明集电区，厚度很薄，在导通时pnp晶体管的注入效率较低，空穴电流约占总电流的20%～25%，所以其关断特性较好，不需要进行寿命控制。此外，采用透明集电区可调节集电区的空穴注入，使开通时空穴注入效率高，关断时空穴注入效率下降，同时电子可直接穿过透明集电区，有利于提高关断速度。因此，采用NPT型结构、透明集电区均可减小α_pnp，从而改善IGBT的关断特性。

      从工艺上考虑，PT-IGBT结构采用电子和质子辐照可降低少子寿命，从而降低关断时间。 少子寿命降低后，载流子复合加快，同时α_pnp也随之减小，于是空穴电流下降，t_off明显缩短。 由于采用电子辐照在器件中形成是均匀的少子寿命分布，虽然改善了关断特性，但对通态特性不利。采用质子辐照可实现局部少子寿命控制，不仅能改善关断特性，并且对通态特性也无明显影响，可在开关速度和饱和电压之间取得折中。

4.4频率特性

     IGBT的频率特性：输入电容C_ies越小、栅极电阻R_G越小，IGBT的频率就越高；阻断电压越高、电流越大，工作频率越低；损耗越低、散热特性越好、环境温度越低，工作频率就越高。

     IGBT输入电容C_ies远大于输出电容C_oes。这主要是由于反馈电容C_res较大所致。这些电容会影响IGBT的开通和关断延迟时间，从而影响器件的开关损耗。

    当IGBT的频率由开关速度决定时，可表示为：

    当IGBT的频率由功耗与散热特性决定时，可表示为：

      IGBT的工作频率要比功率MOSFET的低。

4.5闩锁电流

         图7 IGBT中寄生晶闸管结构及闩锁时的I-U特性曲线

  （1）静态闩锁效应：IGBT开通或导通过程中，当空穴电流在R_B产生的横向压降U_R大于发射结（J₃结）导通电压U_E时，n⁺发射区向p基区注入电子，导致npn晶体管导通。当npn晶体管和pnp晶体管两者之间形成正反馈时，寄生晶闸管就会导通，此时改变栅极电压大小对集电极电流并没有影响，即使撤去栅极电压，IGBT中仍有很大的电流，处于低压大电流状态，此现象为静态闩锁效应。

     为了获得较宽的工作电流，要求闩锁电流密度J_LS通常至少比通态电流密度J_C,ON高10倍以上。

    （2）动态闩锁效应：在IGBT关断过程中，由于沟道消失，pnp晶体管开始关断过程。 随着集电极电压开始上升，由J₂结电容放电会产生位移电流I_dis，并流经npn管p基区的横向电阻R_B到达发射极。当du_CE/dt较高时，较大的I_dis在R_B上产生的压降大于U_E，会引起寄生晶闸管导通，此现象为动态闩锁效应。此时IGBT处于高压大电流状态。I_dis值与du_CE/dt成正比，当负载为感性时，突然关断很容易引起闩锁效应。

     闩锁电流通常定义为发生静态闩锁时的集电极电流，用I_LS来表示，它规定了IGBT发生静态闩锁的最大电流容量。I_LS越大，表示IGBT抗闩锁能力越强。

    静态最大闩锁电流：

    静态最大闩锁电流密度：，S是元胞间距。

    动态闩锁电流通常低于静态，故动态闩锁比静态闩锁更容易发生。

    诱发IGBT静态闩锁效应的因素如下： 

  （1）与R_B相关的结构参数：如沟道宽度Z、p基区的薄层电阻R_S,_B及n⁺发射区长度L_n+等。 采用多个小元胞并联，有利于提高闩锁电流容量。但L_n+受光刻容差的限制，元胞不可能太小。

 （2）pnp晶体管的电流放大系数α_pnp：减小α_pnp有利于提高闩锁电流容量。通常PT-IGBT 通过加n缓冲层以降低J₁结的注入效率，NPT-IGBT结构则通过降低集电区的掺杂浓度和厚度来降低J₁结的注入效率，以减小α_pnp；PT-IGBT更容易发生闩锁效应。

 （3）空穴电流I_p或空穴电流密度J_p：当IGBT发生动态雪崩或处于短路工作状态时，流过 R_B的电流密度极大，会诱发IGBT闩锁。

 （4）温度：温度升高，α_pnp增大，使通过R_B的空穴电流增大，同时npn晶体管p基区的薄层电阻R_S,B增大，导致R_B增加，都会导致ILS下降。此外，npn晶体管发射结的导通电压 U_E随温度升高而下降，更容易满足闩锁触发条件。

 （5）元胞图形：采用条形元胞和多重短路元胞有利于提高I_LS。

 （6）辐射：当IGBT受到光照或辐射时，产生很大的感生电流，会诱发闩锁效应。

 （7）集电极电压上升率（dU_CE/dt）和杂散电感L_C：关断过程中，dU_CE/dt和L_C越大，动态闩锁越容易发生。必须对IGBT关断过程中的du_CE/dt值及开关电路中的杂散电感加以限制。

4.6高温特性

    随温度升高，PT-IGBT的通态功耗下降，NPT-IGBT的通态功耗则增大，但没有功率 MOSFET的增加那么显著。PT-IGBT的关断功耗随温度升高而明显增大，而NPT-IGBT的增加较小。这是因为IGBT的关断功耗主要取决于集电极拖尾电流的大小及其残余载流子的复合速度。温度升高时，少子寿命增加，一方面载流子复合变慢，导致尾部时间增加；另一方面，因α_pnp增大，导致空穴电流增大，使关断时间延长。相比较而言，NPT-IGBT的α_pnp比PT-IGBT小，所以关断功耗随温度增加幅度比PT-IGBT的小。

       图8 IGBT导通特性随温度的变化

    零温度系数（ZTC）点：IGBT可等效为pin二极管或pnp晶体管与MOSFET的组合。MOSFET属于单极型器件，导通电阻R_on具有正温度系数，而pin二极管与pnp晶体管属于双极型器件，正向压降U_F或饱和电压U_CEsat具有负温度系数。在某一电流密度J下，当pin二极管或pnp晶体管随温度的变化与MOSFET随温度的变化正好抵消时，IGBT的U_CEsat与温度无关。

     PT-IGBT的ZTC点对应的电流较高，其额定电流通常位于ZTC点之下，所以PT-IGBT的U_CEsat为负温度系数。NPT-IGBT的ZTC点所对应的电流较小，在整个工作电流范围内，NPT-IGBT的U_CEsat都有正温度系数。所以NPT-IGBT导通时内部的温度分布比PT-IGBT更均匀，故能简单并联，并且抗短路冲击能力强，适合于大功率场合应用；PT-IGBT则不能简单地并联使用，适用于高频、快速等场合，如开关电源电路，不适合有短路要求的电机驱动电路和电压型逆变器。