IGBT发展历程

1、北京工业大学北京工业大学 亢宝位亢宝位GPINCEN-G G（多晶硅）（多晶硅）耐压层耐压层 N-缓冲层缓冲层 N集电区集电区 P+PNPNPNPNC CN N+ +阱 PE E（AlAl）PNPPNPMOSFEMOSFETPIN PIN 二极管二极管区区源区P+N N+ +空穴空穴SiO2电子电子RE （背发射极）（背发射极）CB图三图三 IGBT等效电路等效电路(b) (b) 栅源正偏栅源正偏PIN PIN 二极管二极管EGCPNPPNPPNPPNP(a) (a) 全结构全结构PINPINGNPNNPNCREC（c c）栅源反偏）栅源反偏EBCE（研究击穿电压用）（研究击穿电压用）( (研

2、究饱和压降用）研究饱和压降用）3. 主要电参数及其决定因素主要电参数及其决定因素集电极集电极- -发射极间耐压发射极间耐压 外延层厚度（外延层厚度（10V/10V/m)m)； 结终端效率结终端效率 集电极集电极- -发射极饱和电压发射极饱和电压 N-N-基区宽度；基区宽度； 载流子寿命控制载流子寿命控制最大耗散功率最大耗散功率 最高结温最高结温; 管芯热阻管芯热阻(芯片大小芯片大小, 硅片厚度，背金硅片厚度，背金)开关时间开关时间 N-N-基区宽度；基区宽度； 载流子寿命控制载流子寿命控制最高结温最高结温 工艺工艺( ( 硅硅IGBT 150IGBT 150，175175) )最大集电极电流最

3、大集电极电流 最大耗散功率；最大耗散功率； 集电极集电极- -发射极饱和电压发射极饱和电压 短路耐受时间短路耐受时间 短路电流短路电流( (跨导跨导) )；寄生电阻；寄生电阻R R；热阻；热阻；电源电压电源电压 饱和压降饱和压降 VCECEsat (V)Turn off time (us)1100100.1NPTNPTPTPT6 4 2 （早期已被淘汰）（早期已被淘汰）P PN N- -P P+ +P PN N-P P+ +N NPTPTNPTNPTX XE ENPTNPTPTPTsubstratesubstratesubstratesubstrate对于早期用外延片做的非透明集电区IGBT,

4、由于NPT型功耗大，一开始就被否定，只有PT型投产击穿电压下击穿电压下场强比较场强比较ICIC IC IC01 12 23 3125125 2525 V VCE CE (V)(V)200 I IC C(A)(A)100200200 Eoff技术发展技术发展 VCEsat 功率器件的技术线功率器件的技术线（E EoffoffVVCECEsat trade-offsat trade-off曲线）曲线） 技术线（功耗折衷线）技术线（功耗折衷线）0PG近表近表层层NCGE耐耐压压层层集集电电区区P+N-近表面层载流子浓度近表面层载流子浓度增强技增强技术术(Trench， IE,EP,CS,HC)电场中

5、止技术电场中止技术( FS，SPT，LPT, CPT )透明电极（区）透明电极（区）技术技术(TC)VCE(sat)EoffVCE(sat) 降低成本（不用外延）降低成本（不用外延） 提高频率（提高频率（Eoff） VCE(sat)正温度系数正温度系数PGNCGEP+N-外延衬底PCN-衬底GGENNNNP（1m）离子注入NPTIGBTPTIGBT电子空穴0BVCEA 区B 区WN-击穿电压与击穿电压与WN- 的关系的关系VIB区A区0不同不同N-区宽度所对应的区宽度所对应的I-V 特性 PT NPT510050100V VCE(sat) CE(sat) （V V）E Eoffoff（mJ)m

6、J)功耗技术曲线功耗技术曲线 温度特性温度特性01234567PT125125 NPTVCEsat (V) (c)200IC(A)100RTRTRT (a) NPT-IGBT关断特性(125) (b) PT-IGBT关断特性(125) (c) PT-IGBT 关断特性(25) (d) NPT-IGBT关断特性1(25 )例例 Infineon，Toshiba例例 Infineon IGBT3 N,N,扩散扩散03.4510 Trench NPT Trench FS 平面平面 FS 平面平面 NPTVCE(sat) (V) （Eon+Eoff）(mJ)2.21NNNNPN-CPNGGETrenc

7、h FS-IGBT沟道沟槽栅PIN区区空穴积累PCN-GGENNSPTPFS层PCN-GGENNFS-IGBTPN注入或外延注入或外延FS层PCN-衬衬底底GGENNP P（1m1m）离子注入离子注入NPTIGBT空穴空穴电子电子TC例：例：Siemens例：ABB，北京工业大学北京工业大学V VCE(sat)CE(sat) (V)(V)36364.64.6Eoff (mJ)262616162 2Vcc=900VVcc=900V Ic=100AIc=100ANPTNPTSPTSPT3 34 4P P阱阱N N- - 耐压层耐压层P+P+集电区集电区JIJIP P阱阱N N- -N NP+P+P

8、 P阱阱N N- - N NP+P+EX击穿电压击穿电压工作电压工作电压EX击穿电压击穿电压工作电压工作电压EX击穿电压击穿电压工作电压工作电压图六各种类型图六各种类型IGBTIGBT中中N-N-区宽度与耗尽层的关系区宽度与耗尽层的关系（a a）非穿通型（）非穿通型（b b）软穿通型）软穿通型 (c)(c)电场中止型（穿通型电场中止型（穿通型）缓冲层缓冲层(a) NPT(b) SPT(c) FS(c) FS(b) SPT(a) NPT三种类型三种类型 IGBT的主要性能比较的主要性能比较（1200V IGBT配配CAL FRD）4.5 CPT (控制穿通控制穿通IGBT)（CPT续）续）已经达

9、到指标：条件：4.5kV, 42A/cm4.5kV, 42A/cm2 2, 25, 25水平：水平：1.8V (220mJ/ cm1.8V (220mJ/ cm2 2) ) 2.1V (150 mJ/ cm 2.1V (150 mJ/ cm2 2) ) 2.5V (100 mJ/ cm 2.5V (100 mJ/ cm2 2) ) 2.8V (80 mJ/ cm 2.8V (80 mJ/ cm2 2) ) VCE(sat)Eoff发射极PPN+PPNNNN-IE 区域N N发射区栅氧 化 层 PN缓冲层P集电区集电极栅极 cm2，398K下 NCS层层PPPGC 宽元胞宽元胞 LPT CSTBTNNENNN 发射极发射极 N N型空穴型空穴阻挡层阻挡层P+ P + 集电极集电极+ N N N- 局域载流子寿局域载流子寿命控制层命控制层 NNN N空穴积累高空穴积累高电导区电导区IC(A) 5.0 3.7200 150 100 50 0VCE(V)CHiGT IGBT V VGEGE=15V=15V T=125T=1250 10 0 10 2020空穴PNP效应区PNP效应区I E PIN效效应区应区N N 型载流子增强层 栅 沟道 发射极集电极空穴PNP效应区PNP效应区注入空穴注入空穴浓度增强浓