zexuly190612
IGBT的结构和原理
上面介绍了Power MOSFET，而IGBT其实本质上还是一个场效应晶体管，从结构上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏电极增加了一个P+层，我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET，它依然是单一载流子(多子)导电，所以我们还没有发挥出它的性能。所以后来发展出一个新的结 构，我们如何能够在Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗？所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection
从上面结构以及右边的等效电路图看出，它有两个等效的BJT背靠背链接起来的，它其实就是PNPN的Thyristor(晶闸管)，这个东西不是我们刻意做的，而是结构生成的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就说了，这样的结构要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs，只要满足α1+α2<1就可以了。
另外，这样的结构好处是提高了电流驱动能力，但坏处是当器件关断时，沟道很快关断没有了多子电流，可是Collector (Drain)端这边还继续有少子空穴注入，所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current)，影响了器件的关断时间及工作频率。这个可是开关器件的大忌啊，所以又引入了一个结构在P+与N-drift之间加入N+buffer层，这一层的作用就是让器件在关断的时候，从Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer层就被复合掉提高关断频率，我们称这种结构为PT-IGBT (Punch Through型)，而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBT。
一般情况下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少)，而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入较多而导致的三极管基区调制效应明显)，而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss)，所以如果需要同样的Vce(sat)，则NPT必须要增加drift厚度，所以Ron就增大了。
4、IGBT的制造工艺
IGBT的制程正面和标准BCD的LDMOS没差，只是背面比较难搞：
1) 背面减薄：一般要求6~8mil，这个厚度很难磨了，容易碎片。
2) 背面注入：都磨到6~8mil了，还要打High current P+ implant >E14的dose，很容易碎片的，必须有专门的设备dedicate。甚至第四代有两次Hi-current注入，更是挑战极限了。
3) 背面清洗：这个一般的SEZ就可以。
4) 背面金属化：这个只能用金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。
5) 背面Alloy：主要考虑wafer太薄了，容易翘曲碎片。
5、IGBT的新技术
1) 场截止FS-IGBT：不管PT还是NPT结 构都不能终满足无限high power的要求，要做到high power，就必须要降低Vce(sat)，也就是降低Ron。所以必须要降低N-drift厚度，可是这个N-drift厚度又受到截止状态的电场约束 (太薄了容易channel穿通)。所以如果要向降低drift厚度，必须要让截止电场到沟道前提前降下来。所以需要在P+ injection
问题来了，这和PT-IGBT的N+ buffer差里？其实之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EPI做出来的，它是在P+ 衬底上长层~10um的N+ buffer，然后再长第二层~100um的N-Drift。这个cost很高啊！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基础上直接背面 打入高浓度的N+截止层就好了，成本比较低，但是挑战是更薄的厚度下如何实现不碎片。
2) 阳极短接(SA: Shorted-Anode)：它 的结构是N+集电极间歇插入P+集电极，这样N+集电极直接接触场截止层并用作PN二极管的阴极，而P+还继续做它的FS-IGBT的集电极，它具有增强的电流特性且改变了成本结构，因为不需要共封装反并联二极管了。实验证明，它可以提高饱和电流，降低饱和压降(~12%)。
6、IGBT的主要I-V特性
IGBT你既可以把它当做一个MOSFET与PiN二极管串联，也可以当做是一个宽基区的PNP被MOSFET驱动(Darlington结构)， 前者可以用来理解它的特性，后者才是他的原理。它看起来就是一个MOSFET的I-V曲线往后挪了一段(>0.7V)，因为沟道开启产生电流必须满足漂移区电流与漂移区电阻乘积过0.7V，才能使得P+衬底与N-drift的PN结正向导通，这样才可以work，否则沟道开启也不能work的。
7、为什么要重视IGBT？
IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU” 。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。
IGBT的应用领域
按电压分布的应用领域
1）新能源汽车
IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面：
A）电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机；
B）车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD；
C）充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用；
2）智能电网
IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端：
从发电端来看，风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。
从输电端来看，特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。
从变电端来看，IGBT是电力电子变压器（PET）的关键器件。
从用电端来看，家用白电、 微波炉、 LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。
3）轨道交通
IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器核心的器件。
8、IGBT各代之间的技术差异
IGBT各代之间的技术差异
要了解这个，我们先看一下IGBT的发展历程。
工程师在实际应用中发现，需要一种新功率器件能同时满足：·驱动电路简单,以降低成本与开关功耗；通态压降较低，以减小器件自身的功耗。
回顾他们在1950-60年代发明的双极型器件SCR,GTR和GTO通态电阻很小；电流控制，控制电路复杂且功耗大；1970年代推出的单极型器件VD-MOSFET通态电阻很大；电压控制，控制电路简单且功耗小；因此到了1980年代，他们试图把MOS与BJT技术集成起来的研究，导致了IGBT的发明。 1985年前后美国GE试制工业样品（可惜后来放弃）。自此以后， IGBT主要经历了6代技术及工艺改进。
