IGBT模块：技术、驱动和应用课件：功率半导体

功率半导体IGBT模块：技术、驱动和应用IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBTModules–Technologies,DriverandApplication1目录31245简介二极管晶闸管双极结型晶体管和场效应晶体管绝缘栅双极型晶体管45前景展望制造商IGBTModules–Technologies,DriverandApplication2功率半导体器件简介常见功率半导体器件及其典型功率范围、阻断电压和开关频率SCR晶闸管BJTMOSFETIGBT全控器件：全控器件：不可控器件：D功率二极管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication3IGBT结构简介三个PN结J1，J2，J3

一个PNP型晶体管T1一个NPN型晶体管T2一个二极管D1

一个晶闸管V1一个MOSFET结构T3两个相邻IGBT单元之间的一个JFET结构T4IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4禁带宽度：本征载流子浓度简介物理性质4H-SiCSiGaN禁带宽度[eV]3.261.123.2击穿电场[kV/100um]202.5~20导热率[W/cm/K]~3.41.51.3IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5禁带宽度随着温度的变化而改变简介本征载流子浓度硅材料禁带宽度Eg与温度之间的关系曲线IGBTModules–Technologies,DriverandApplication6硅材料本征载流子浓度与温度的关系函数简介本征载流子浓度IGBTModules–Technologies,DriverandApplication7简介掺杂n-，p-掺杂浓度:1012cm-3~1016cm-3n，p掺杂浓度:1015cm-3~1018cm-3n+,p+掺杂浓度:1017cm-3~1021cm-3IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8载流子运动方式：载流子漂移扩散简介载流子在半导体中的运动半导体内载流子的扩散运动IGBTModules–Technologies,DriverandApplication9电子和空穴符合率：载流子主要的三种复合类型：直接（带间）复合肖克莱里德霍尔(SRH)复合Auger复合简介载流子的产生与复合复合产生的载流子：光子高能粒子碰撞电离IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10PN结：N区侧形成正电荷区P区侧形成负电荷区简介PN结IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10

2型击穿：当半导体中的损耗足够大产生发热和电流的不均匀分布，导致某些局部电流超过最大允许电流密度，随之电压迅速下降而电流急剧上升。可能发生热击穿。简介反向击穿1型击穿：PN结承受反向电压超过临界值，超过临界电场强度，引发碰撞电离，导致雪崩效应/载流子倍增效应，空间电荷区内的载流子数目会迅速增加。

与此同时如果电压保持不变，原来很小的反向电流就会急剧增加，如过没有外部电路的限制或者及时关断电源，就可能毁坏半导体。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication11简介制造工艺惰性气体CZ工艺FZ工艺惰性气体单晶硅阻抗的相对分布6英寸的晶圆（直径为150mm）2007年以前8英寸的晶圆（直径为200mm）2008年以后12英寸的晶圆（直径为300mm）

现在IGBT晶圆：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13外延生长工艺离子注入工艺扩散工艺掩膜工艺：通过离子注入或扩散工艺获得可控的半导体结构。在原材料上覆盖绝缘层（SiO2），再加一层光复印掩蔽模版，然后曝光和显影。显影之后，去除曝光区域的绝缘层，再移除光掩模版，就可以通过离子注入或扩散工艺给曝光区掺杂。简介制造工艺IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14简介制造工艺常用边缘结构斜切结构和其他边缘结构都是为了让电场路径在PN结中变得弯曲，从而降低电场强度。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15简介制造工艺芯片背面金属氧化层功能：半导体和封装的热接口半导体和封装的电接口半导体和焊接层（通常是焊接层）之间的附着层IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16二极管二极管:PN结阻断电压：漂移区（N-）越宽垂直结构：提高有效面积，通过大电流通态电压：“双倍注入”或者“电导调制”二极管分类：整流二极管；快恢复二极管；肖特基二极管；齐纳和雪崩二极管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17二极管整流二极管

单相/三相二极管整流电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17二极管快恢复二极管感性负载中IGBT并联快恢复续流二极管快恢复二极管

恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在几个

s以下）。快恢复外延二极管，采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短

（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19二极管肖特基二极管:也称为热载流子二极管，通过金属和半导体接触（肖特基接触）形成肖特基势垒。n（Si）金属阳极阴极反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下反向漏电流易受温度影响，温度提升导致损耗迅速上升反向恢复时间很短，没有反向恢复电流耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管效率高Si肖特基二极管:IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19二极管肖特基二极管肖特基二极管：硅—碳化硅碳化硅肖特基二极管特点：不存在反向峰值电流无论负载电流，还是温度变化，反向电荷产生的电流变化率di/dt低至零工作结温可高于200℃类型禁带宽度Eg临界击穿电场导热系数硅1.12eV0.25MV/cm3.0~3.8W/cm·K碳化硅3.26eV2.2MV/cm1.5W/cm·K结论三倍九倍IGBTModules–Technologies,DriverandApplication18二极管SiC肖特基二极管标准SiC肖特基二极管增加P型孤岛混合PIN肖特基（MPS）二极管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20二极管齐纳二极管与雪崩二极管齐纳和雪崩效应的击穿电压齐纳击穿电压：2~6.5V雪崩击穿电压：4.5V~6.5V瞬变电压抑制（TVS）二极管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21二极管齐纳二极管与雪崩二极管齐纳效应：一种P区价带中的电子通过隧道效应向N区导带运动的现象。齐纳二极管的电路符号和伏安特性曲线雪崩效应：当pn结承受足够高的电压时，势垒区的大量载流子像雪球一样倍增的现象。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication22晶闸管晶闸管家族的功率器件：栅极可关断晶闸管（GTO）集成栅极换流晶闸管（IGCT）光触发晶闸管（LTT）晶闸管的内部结构、等效电路、符号和伏安特性曲线IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23双极结型晶体管和场效应晶体管双极结型晶体管（BJT）垂直四层掺杂结构双极结型晶体管的内部结构、电路符号和输出特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication24双极结型晶体管和场效应晶体管双极结型晶体管（BJT）NPN型BJT构成共发射极电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication25双极结型晶体管和场效应晶体管双极结型晶体管（BJT）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication26双极结型晶体管和场效应晶体管场效应晶体管（FET）1.结型场效应管（JFET）

常闭器件，不适合电力电子器件JFET的设计结构、电路符号及输出特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication27双极结型晶体管和场效应晶体管场效应晶体管（FET）2.金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）N沟道增强型MOSFET的内部结构、电路符号和输出特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28双极结型晶体管和场效应晶体管场效应晶体管（FET）MOS电容工况：累积耗尽反型MOS电容的工作状态IGBTModules–Technologies,DriverandApplication29双极结型晶体管和场效应晶体管场效应晶体管（FET）3.超级结MOSFET标准MOSFET和超级结MOSFET的对比曲线对于FET耐压电压增大一倍，导致通态电阻迅速增加标准MOSFET超级结MOSFETIGBTModules–Technologies,DriverandApplication30双极结型晶体管和场效应晶体管场效应晶体管（FET）内部结构引导电流流过一个比正常掺杂浓度更高的N区，等效电阻随之降低。3.超级结MOSFETIGBTModules–Technologies,DriverandApplication31绝缘栅双极型晶体管（IGBT）MOSFET+双极型晶体管=IGBTIGBT内部结构和等效电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT的输出特性两个平面栅极结构IGBT之间的JFET效应IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT的关断：第一阶段关断反型沟道，电流迅速下降；第二阶段持续时间较长，导致IGBT拖尾电流。MOSFET和IGBT主要开通和关断特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35绝缘栅双极型晶体管（IGBT）t0到t1时刻建立空间电荷区t1时刻进入拖尾电流t2时刻剩余载流子从集电极区通过复合被消除t3到t5时刻复合过程IGBT关断过程中内部载流子的分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT寄生电容：输入电容：CGE=C1+C3+C4+C6反向传输电容：CGC=C2+C5输出电容：CCE=C7IGBT的寄生电容IGBTModules–Technologies,DriverandApplication37绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT技术特性：降低导通损耗降低开通和关断时的开关损耗器件开关的软特性提高电流密度提高电压等级减少半导体材料,降低成本提升最高工作结温扩展SOAIGBT半导体技术进展IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38绝缘栅双极型晶体管（IGBT）英飞凌公司从第二到第四代1200VIGBT典型参数权衡分析图IGBTModules–Technologies,DriverandApplication39绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication40绝缘栅双极型晶体管（IGBT）穿通（PT）型IGBT以高掺杂的P+为衬底，之上是N+缓冲层，然后以N-基为外延。N+缓冲区作用使N-基区可以设计得薄一些复合部分从P+发射的空穴缓冲层可以平衡IGBT通态损耗和开关损耗PTIGBT内部层结构及电场分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41绝缘栅双极型晶体管（IGBT）穿通（PT）型IGBTPTIGBT为负温度系数。PTIGBT在并联应用中，如果配对不理想，每个IGBT的电流会显著不均流。正向压降UCE和集电极电流在不同温度下关系曲线举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42绝缘栅双极型晶体管（IGBT）非穿通（NPT）型IGBT与PTIGBT不同，NPTIGBT以低掺杂的N-基区作为衬底，N-层的损耗成为IGBT总损耗的主要部分。NPTIGBT基本表现为正温度系数。NPTIGBT内部分层结构和电场分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43绝缘栅双极型晶体管（IGBT）场终止（FS）型IGBT设计目的：尽可能降低IGBT的总损耗。N-型衬底和场终止层设计决定了FSIGBT的开关特性FSIGBT一样具有正温度系数FSIGBT内部分层结构和电场分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication44绝缘栅双极型晶体管（IGBT）沟槽栅（Trench）型IGBT沟槽栅极结构和平面栅极结构区别：当IGBT开通时，P型发射区的反型沟道是垂直而不是横向的，即不存在JFET效应。沟槽栅IGBT内部结构和电场分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication45绝缘栅双极型晶体管（IGBT）沟槽栅（Trench）型IGBT从集电极到发射极，沟槽栅IGBT的载流子浓度逐步升高，平面IGBT相反。内部均匀的或者略微递增的载流子浓度有利于平衡沟槽栅IGBT的静态和动态损耗。沟槽栅和平面栅结构IGBT内部载流子浓度比较IGBTModules–Technologies,DriverandApplication46绝缘栅双极型晶体管（IGBT）沟槽栅（Trench）型IGBT

对于现代的IGBT，饱和压降主要由Udrain-Collector决定。增加导电沟道的宽度有利于电导率上升，但是较宽的导电沟道会增加IGBT短路时的电流。平面栅IGBT和沟槽栅IGBT结构饱和压降：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication47绝缘栅双极型晶体管（IGBT）载流子储存沟槽栅双极晶体管（CSTBTTM）CSTBTTM和沟槽栅终止IGBT内部结构比较IGBTModules–Technologies,DriverandApplication48绝缘栅双极型晶体管（IGBT）注入增强栅晶体管（IEGT）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication49绝缘栅双极型晶体管（IGBT）沟槽栅场终止IGBT（Trench-FSIGBT）结合场终止技术和沟槽栅技术通过FS层和沟槽栅的相互作用，IGBT技术参数有明显的提升：在保持之前IGBT鲁棒性的基础上，通态损耗和开关损耗都有所降低；功率密度提高，即电流密度增大单位IGBT所需要的硅材料降低。沟槽栅终止IGBT内部分层结构和电场分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication50绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆导型IGBT（RCIGBT）IGBT集成二极管的内部结构IGBTModules–Technologies,DriverandApplication51绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT集成的额外功能辅助功能：电流测量功能；温度测量电路；栅极电阻。半桥电路中IGBT检测电路应用电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication52绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT集成的额外功能集成温度检测常用于PN结（二极管）的结温测量。注：对于所有的商业化生产的IGBT模块，只能测量IGBT的结温，而不能测量续流二极管的结温。集成温度测量IGBTModules–Technologies,DriverandApplication53绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT集成的额外功能集成栅极电阻Rgint主要用IGBT模块内多个并联芯片的解耦。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication54前景展望开始批量生产的新型器件：S