集成化IGBT
1、逆阻IGBT
RB-IGBT相当于一个常规的IGBT与一个二极管的串联，并由串联在集电极侧的二极管实现反向阻断功能。采用两个分立的RB-IGBT就可以组成交流开关，由于交流开关中省掉串联的二极管，可减小通态损耗，使开关结构大大简化。
图1 RB-IGBT的剖面结构及等效电路和电路符号
（1）静态特性
RB-IGBT的饱和压降呈正温度系数，因而有良好的温度稳定性。
图2 1200V RB-IGBT的特性曲线
（2）动态特性
图3a在600V电压下，RB-IGBT能关断100A电流，且拖尾电流很小，其关断能耗Eoff很小，约为6.85mJ。当RB-IGBT反并联使用时，相当于逆变电路中的续流二极管，其反向恢复特性曲线如 图3b所示。当栅极电阻RG为3.3Ω时，反向恢复峰值电流IRM约为200A（是电流额定值的2倍），反向恢复能耗为11.7mJ，并且IRM和反向恢复能耗Err都随栅极电阻增加而下降，同时开通能耗Eon随RG增加而上升，总能耗变化不大。
采用RB-IGBT不仅具有正、反向阻断能力，而且具有优良的通态特性及开关特性，并缩小了变流器的体积。
图3 RB-IGBT的动态特性曲线
2、双向IGBT
双向B-IGBT的结构及等效电路如图4，由两个IGBT反并联地集成在同一个硅衬底上。B-IGBT芯片的上、下两面具有对称性，并且顶部元胞与底部元胞的间距约为同侧元胞间距的一半。这种对称性的结构保证了器件在第一象限和第三象限有对称的电学特性。
图4 双向IGBT的结构和等效电路
要双面光刻技术或高温硅-硅直接键合（SDB）工艺。SDB工艺键合界面会影响器件的导通和阻断特性，并且在硅片处理过程中，若正、反两面MOS结构的栅氧化层质量有微小差异，也会导致其输出特性、输入特性不完全对称，阈值电压也会不同。此外，B-IGBT芯片还需要一个特殊的封装结构。
图5 双向IGBT的芯片及其封装外形和内部压接结构剖面
图5a芯片的中央为栅极，栅-射极的隔离区较大，以防止压接导致栅-射极短路，最外围是场限环与场板复合终端。图5b顶部封装有四个电极，中心两个为栅极。图5c采用双面的直接覆铜（DBC）基板，栅极和有源区通过DBC绝缘，因此双面均可安装散热器进行散热。在常规的IGBT封装中，发射极和栅极均采用铝线键合，只有集电极键合在一个金属基板上（分立器件）或者在DBC基板上（功率模块），底部加散热器进行冷却。相比较而言，B-IGBT这种扁平封装技术可以有效提高器件的热性能。
B-IGBT正反向均有阻断能力，且正、反向阻断电压对称；正、反向均能传导大电流，并且在较高的电流密度下有相近的饱和电压；正、反向有几乎一致的开关特性。
图6 双向IGBT的特性曲线
3、逆导IGBT
逆导IGBT（Reverse Conducting IGBT，RC-IGBT），也被称为短路集电极IGBT（Collector Shorted Type IGBT，SC-IGBT）或短路阳极IGBT（Short Anode IGBT，SA-IGBT），是基于集电极短路技术而开发的集成化结构，也可以通过普通IGBT与二极管压接封装而成。目前主要应用于1200V以下的低压领域。
图7 RC-IGBT的结构组成
3.1结构
RC-IGBT结构是将一个IGBT与pin二极管反并联地集成在一片硅片上，形成一个正、反向都能导通的集成结构。RC-IGBT背面由p+区和n+区组成，其中n+短路区为二 极管的阴极区，p+区为IGBT的集电区。发射极侧高掺杂的p+区是二极管的阳极区，同时也是IGBT的p基区。
RC-IGBT芯片的关键工艺是背面p+区及n+区的制作，通常采用磷离子（P+）注入来实现n+区。n+区通常为条状分布，条长方向与沟槽栅的方向正交。为了使集成二极管获得良好的反向恢复特性，需采用He+辐照对其中的载流子寿命进行局部控制。
3.2导通原理
正向导通：与常规的IGBT不同，由于RC-IGBT结构采用了短路集电区，在开通初期，电子并不会在n-漂移区积累，而会通过n+短路区流出。所以，RC-IGBT在正向导通时，电导调制效应并不是在很小的电流密度下就能发生，需要延迟一段时间，类似于传统晶闸管用小门极电流触发的情况，由此导致RC-IGBT的I-U特性也会产生类似于晶闸管的负阻现象。
在相同的电流密度下，与无短路区的IGBT相比，有短路区时IGBT的导通电压明显增大，并且当短路区密度较高时，RC-IGBT的I-U特性曲线有明显的负阻特性。当短路区密度较低时，负阻特性消失，饱和电压下降。并且少子寿命对RC-IGBT导通特性的影响也很大，少子寿命越低，饱和电压越大。
反向导通：由于集成二极管的n+阴极区面积较小，导致其注入效率下降，体内电导调制效应减弱，因此RC-IGBT反向导通时的正向压降比常规二极管稍大，但比IGBT的饱和电压低。
图8 双向IGBT的特性测试曲线
3.3 RC-IGBT特性
静态特性：当温度较高或电流较大时，RC-IGBT的I-U曲线上会出现一系列小幅的二次回跳现象。这是因为RC-IGBT内部少数元胞的导通时从MOSFET模式逐渐向IGBT模式转换，二次回跳是因多个元胞转换的一致性不好所致。当多个元胞逐次导通时，有些元胞先进入电导调制状态，然后向周边扩展，其他元胞逐次发生电导调制效应，导致其开通的一致性较差。与NPT-IGBT相比，RC-IGBT的导通特性明显较差，其零温度系数点（即高低温特性曲线交点）的电流也高于NPT-IGBT。并且随温度升高，转折电压及其对应的电流减小。
动态特性：负阻特性的转折电压及其对应的电流与p+集电区尺寸Lp+、n+短路区尺寸Ln+及n-FS层参数有关。Lp+相对Ln+越宽，FS层的掺杂浓度越低，转折电压及其对应的电流越低。为了有效抑制RC-IGBT的负阻现象，通过增加p+集电区宽度、降低FS层的掺杂浓度来增加FS层的横向电阻Rnb，使集电结在小电流下就能开通，从而减小转折电压。但是，这些措施很难从根本上消除负阻现象。为了获得与传统IGBT一样的I-U特性曲线，除了考虑n+短路区与p+集电区版图布局外，需要对结构进行改进，如采用双模式IGBT或超结RC-IGBT结构，以彻底消除负阻现象。
4、双模式IGBT
4.1 结构
BIGT是在常规RC-IGBT基础上开发的一种新的逆导型IGBT结构，目的是解决RC-IGBT的负阻现象。BIGT结构是由RC-IGBT和普通的IGBT复合而成的，由于该结构可以按IGBT与二极管的两种模式工作，故称为双模式IGBT。其中普通IGBT在此称为引导IGBT（其p+集电区称为p+引导区），右侧为一个常规的RC-IGBT。
采用p+引导区的作用有两个：一是在导通初期引导IGBT开通；二是提高版图设计的自由度，使n+区与p+区的尺寸不需严格控制。由于存在p+引导区，使n+区面积缩小为集电区总面积的25%，有利于降低二极管正向压降。
图9 BIGT的剖面结构及背面的集电极图形
4.2 工作原理
采用正交条纹（S2）的载流子扩展速度最快，小正方形（D2）布局时的载流子扩展速度稍快。
4.3 BIGT特性
导通特性：正向工作时BIGT按IGBT的导通模式工作，并且与n+短路区的布局有关；反向工作时，BIGT按二极管的导通模式工作。当n+短路区与p+引导区的布局采用正交条纹（S2）时，导通特性最好；采用平行条纹（S1）时， 导通特性较差；采用正交-平行条纹（S3）时，IGBT的导通特性介于S1与S2之间，并且在小电流下仍有小的二次负阻现象；采用离散点状（D1）时，IGBT饱和电压最小，但同时二极管的导通特性明显变差；采用小正方形（D2）时，对二极管导通特性没有影响，但IGBT的饱和电压稍大。采用正交条纹布局和小正方形点状短路区时，可以兼顾BIGT的正、反向导通特。
图10 BIGT 的正向导通特性测试曲线
开关特性：采用正交条纹（S2）来布局n+短路区和p+引导区，不仅有利于载流子的扩展，而且能有效地利用器件的面积，在IGBT和二极管导通损耗之间获得折中，使BIGT性能达到最佳。
图11 BIGT的开关特性测试曲线
5、超结IGBT
改善IGBT的正向耐压能力，也可改善饱和电压与关断损耗之间的矛盾。
5.1结构类型
图12 SJ-IGBT的基本结构
由于柱区高度与击穿电压成正比，所以柱区越高，SJ-IGBT的击穿电压也越高，但相应的工艺成本也会增大。
SJ-IGBT的工艺难度主要在于SJ的形成。利用沟槽刻蚀和采用小角度注入来形成扩展深槽的SJIGBT结构，p柱区为原始外延层，n柱区是在沟槽刻蚀后通过磷离子（P+）小角度注入来形成，不仅可以降低工艺难度，而且有利于实现电荷平衡。
SJ-IGBT和Semi-SJ-IGBT结构中，p柱区通常位于沟槽栅下方，有助于通态时增强电导调制效应，关断时pn结的耗尽区扩展，使得载流子尽快去除。如果p柱区位于p基区下方，会在p柱区和p基区之间会形成一条空穴通路，不利于器件的导通和关断。
5.2工作模式
SJ-IGBT导通时，同时存在单极与双极两种电流输运模式。由于SJ-IGBT的耐压层为相互交替的n柱和p柱，且掺杂浓度远高于普通IGBT的n-漂移区，在导通期间，靠近集电极一侧的耐压区会发生电导调制效应，非平衡载流子浓度较高，其电流以双极输运为主；靠近发射极一侧的耐压区不会发生电导调制效应，非平衡载流子几乎为零。电子和空穴分别在n柱和p柱区内各自流动，其电流以单极输运为主。
当柱区掺杂浓度较低（1×1014cm-3）时，电子电流和空穴电流几乎分布在两个柱区内， 说明导通时两个柱区都会发生电导调制效应，这与普通IGBT相似，按双极模式输运。当柱区掺杂浓度较高（5×1015cm-3）时，电子电流主要分布在栅极下方的n柱区内，空穴电流主要分布在元胞下方的p柱区内，此时电流均按单极方式输运。柱区掺杂浓度升高对集电区的空穴注入有一定的抑制作用。
图13 SJ-IGBT导通时内部电流分布
n缓冲层参数对SJ-IGBT的电导调制效应也有明显影响。当缓冲层掺杂浓度为（1～4）×1016cm-3时，导通时的载流子浓度分布相近，并且靠近发射极侧的电导调制效应较强；当缓冲层掺杂浓度为6×1016～1×1017cm-3时，导通时载流子浓度分布差别逐渐增大，并且远离发射极侧的电导调制效应都减弱。所以，为了兼顾SJ-IGBT的阻断特性、导通特性及关断特性，在满足电荷平衡的条件下，应将缓冲层掺杂浓度应控制在5×1016cm-3以下。
综合性能逐渐优化的器件结构依次是NPT型、FS型、FS+沟槽栅、载流子存储型沟槽栅双极晶体管（CSTBT）及SJ与FS型复合（SJFS）结构。采用SJFS结构可使IGBT的特性达到最佳，但同时其工艺难度也最大。