IGBT的基本结构和导通&开关特性----IGBT(1)

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摘要

• IGBT的结构和原理(PIN模式和BJT模式)
• IGBT的开关特性和MOSFET的差异(关断dvdt的限制，拖尾电流的产生)
• 理想IGBT等离子体分布(阴极注入增强和阳极注入效率控制)
• PT、NPT和FS型IGBT的结构，温度系数，损耗差异
  

IGBT的基本结构和导通原理

MOSFET导通的时候，其作为单极型器件，就相当于一个n型半导体的电阻，此时加入一层p型发射区，引入pn结结构，就转化为双极型的器件，可以用PIN二极管的模型来研究。

但只单纯用PIN模型来描述IGBT不够准确，因为Pbase区提供了额外的空穴路径，它将收集p型发射区注入的空穴，这就是一个寄生的PNP型BJT(p型发射区为发射区，n型漂移区为基区，Pbase为集电区)，其中基极电流由MOS沟道电流提供，并且和寄生BJT的集电极从一个电极流出。

由于某些历史原因，IGBT的电极命名和其内部的寄生BJT是相反的，寄生BJT的发射极为IGBT的集电极，集电极则为发射极，为了避免混淆，也可以采用PIN二极管的阳极和阴极来表示IGBT的集电极和发射极。

那么PIN模型和BJT模型哪个对描述IGBT更准确呢？也不是一句话能说清的，简单来说，如果阳极注入到基区的空穴更多地与MOS沟道注入的电子复合，那么IGBT更接近PIN，反之，如果更多的被Pbase收集，则IGBT更接近BJT。举个例子，当IGBT两端电压VCE较低时，耗尽区宽度较窄，BJT的有效基区较窄，基区输运系数较低，阳极注入的空穴更多和沟道注入的电子发生复合，IGBT表现为PIN模式。反之则基区输运系数增大，加上沟道电子饱和，空穴更多地被Pbase收集，IGBT表现为BJT模式。

为了兼顾低正向压降和高击穿电压，我们希望IGBT尽可能接近PIN工作模式，和PIN二极管反向恢复不同，IGBT关断过程两端电压并不发生改变，耗尽区从阴极开始建立，阳极侧的剩余载流子产生拖尾电流，所以为了降低导通损耗和拖尾电流，最优的载流子浓度分布为阴极侧尽可能高，而阳极侧不能太高。

IGBT的开关特性

IGBT作为双极型器件，存在正向恢复时间，但如果考虑稳态情况的准静态特性，基本可以参考MOSFET的开通特性(单极续流和双极续流都一样)。

对于关断过程，IGBT和MOSFET就存在较大的不同了，主要是两点，一是载流子抽取速度对关断dvdt的限制，二是拖尾电流的产生。

对于MOSFET的关断过程来说，关断过程就是COSS充电的过程，关断速度由COSS充电速度决定，而IGBT由于导通时存在高浓度的等离子层(过剩载流子)，耗尽层的扩展速度跟不上COES(COSS)充电速度，就无法达到理想的dvdt。

如果VCE的dvdt不够大，在米勒平台时，CGC就无法吸收所有的栅极电流，CGE将继续放电，VGE将下降而不是维持在米勒平台上。

另外和MOSFET关断过程不同的就是在VCE达到线电压后，IGBT耗尽区扩展停止，阳极侧剩余的等离子体的耗散过程产生一个拖尾电流。

正面载流子浓度增强工程

如前面所述，我们希望IGBT阴极侧载流子浓度尽可能高，主要手段分为两部分，增强电子注入和限制空穴流失。

增强电子注入

电子来源于沟道反型层电子，所以增加沟道密度，缩短沟道长度，降低Vth，提高驱动电压VGS都是增加电子的手段，但是会牺牲短路耐受能力。

限制空穴流失

空穴会从Pbase区流出，那么限制空穴流失最有效的手段就是减小Pbase区面积，通常采用沟槽栅结构，缩小沟槽之间的MESA区尺寸。同时可以在Pbase前面增加一个高浓度的n型区，称为载流子存储层(Carrier Stored Layer, CSL)，既可以起阻挡空穴流失的作用，也可以起增强电子注入的，但高掺杂浓度也会降低一定的击穿电压。

背面空穴注入效率控制工程

由于种种原因(比如考虑短路能力，漏电流等)，IGBT寄生BJT的电流放大系数不能太大，因此背面阳极的注入效率不能太高，在早期，由于工艺能力限制，存在一些过渡结构，下面简单描述下。

PT型IGBT

直接在重掺杂的P+衬底上通过外延工艺生长一层中等掺杂浓度薄的n型缓冲层和低掺杂浓度厚的n-漂移区，由于电场直接在n型缓冲层中截止，故称为电场穿通(Punch Through)。

由于重掺杂P型衬底的存在，调整背面注入效率几乎不可能，所以为了降低BJT放大系数，只能调整基区输运系数，而基区宽度不能随便动，所以不得不采用寿命控制技术来降低载流子寿命，使扩散长度减小达到降低基区输运系数的目的。

由于阳极高注入效率和窄基区，PT-IGBT的导通损耗较低，关断拖尾电流表现为电流大时间短。

对PT型IGBT而言，由于阳极高注入效率，其有效寿命由大注入寿命控制，会随着温度升高而增加，所以正向压降随着温度的升高而下降，故PT-IGBT为负温度系数，不利于并联使用。

NPT型IGBT

由于工艺能力的提升，背面P型区可以通过离子注入形成，这样就可以通过控制背面注入效率来调整BJT放大系数了，并且利用PN结的薄基区技术(IGBT中称为透明集电极技术)，可以进一步降低注入效率，同时较厚的基区也降低了基区输运系数，也不需要使用寿命控制技术了，由于电场分布为三角型，未穿通(Non-Punch Through)，故称为NPT型IGBT。

由于阳极低注入效率和宽基区，NPT-IGBT的导通损耗较高，关断拖尾电流表现为电流小时间长。

对于NPT-IGBT，发射极复合对有效寿命起主要影响，其对温度依赖性弱，所以漂移区电压主要受迁移率和温度关系控制，因此NPT-IGBT为正温度系数。

FS型IGBT

在NPT-IGBT的基础上，进一步提升薄片加工能力，同样利用离子注入在背面实现一层薄的n型中等掺杂浓度的缓冲层，将电场截止在缓冲层中(Field Stop)，类似PT型IGBT的梯形电场分布，在实现高击穿电压的同时降低导通损耗，这种结构称为FS-IGBT

FS-IGBT综合了PT-IGBT和NPT-IGBT的优点，具有低正向压降，电流小时间短的关断拖尾电流。