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什么是IGBT?

文字:[大][中][小] 2016-6-1    瀏覽次數:3541    


IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。

簡介

IGBT非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。 圖1所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構, N+ 區稱為源區,附于其上的電極稱為源極。N+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區,附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區(包括P+ 和P 一區)(溝道在該區域形成),稱為亞溝道區( Subchannel region )。而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區( Drain injector ),它是IGBT 特有的功能區,與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管,起發射極的作用,向漏極注入空穴,進行導電調制,以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。 IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP 晶體管提供基極電流,使IGBT 導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后,從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子),對N 一層進行電導調制,減小N 一層的電阻,使IGBT 在高電壓時,也具有低的通態電壓。

發展歷史

1979年,MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。這種器件表現為一個類晶閘管的結構(P-N-P-N四層組成),其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

80年代初期,用于功率MOSFET制造技術的DMOS(雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體)工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個時候,硅芯片的結構是一種較厚的NPT(非穿通)型設計。后來,通過采用PT(穿通)型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進,這是隨著硅片上外延的技術進步,以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的[3]。幾年當中,這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結構,其設計規則從5微米先進到3微米。

90年代中期,溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT,它是采用從大規模集成(LSI)工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝,但仍然是穿通(PT)型芯片結構。[4]在這種溝槽結構中,實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。

硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變,先是采用非穿通(NPT)結構,繼而變化成弱穿通(LPT)結構,這就使安全工作區(SOA)得到同表面柵結構演變類似的改善。

這次從穿通(PT)型技術先進到非穿通(NPT)型技術,是最基本的,也是很重大的概念變化。這就是:穿通(PT)技術會有比較高的載流子注入系數,而由于它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面,非穿通(NPT)技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率,不過其載流子注入系數卻比較低。進而言之,非穿通(NPT)技術又被軟穿通(LPT)技術所代替,它類似于某些人所謂的“軟穿通”(SPT)或“電場截止”(FS)型技術,這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。

1996年,CSTBT(載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管)使第5代IGBT模塊得以實現[6],它采用了弱穿通(LPT)芯片結構,又采用了更先進的寬元胞間距的設計。包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反向導通型”(逆導型)功能的IGBT器件的新概念正在進行研究,以求得進一步優化。

IGBT功率模塊采用IC驅動,各種驅動保護電路,高性能IGBT芯片,新型封裝技術,從復合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發展,其產品水平為1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于變頻調速外,600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB,用于艦艇上的導彈發射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB,大大降低電路接線電感,提高系統效率,現已開發成功第二代IPEM,其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發展熱點。

大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,已制造出集成化的IGBT專用驅動電路。其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

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