第5章绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)由于结合了MOSFET和BJT各自的优点，表现出开关速度高、饱和压降低和可耐高压、大电流等优良特性，是一种用途十分广泛的半导体功率器件，在许多领域已经逐步取代了电力晶体管(GTR)和电力场效应晶体管(MOSFET)。目前，国内对IGBT产品的需求量日趋增多，但国内暂时还没有独立的生产厂家，所需的IGBT产品主要依赖进口，因此，开发和研制具有自主知识产权的性能优良的IGBT器件已成为迫切需要。 5.1IGBT原理 IGBT本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层，即IGBT是一种复合了BJT优点的功率MOS型器件，它既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又兼具有双极型晶体管的低饱和电压特性及承载较大电流的能力 ，是近年来电力电子领域中最令人注目且发展最快的一种新型半导体器件。 5.2IGBT结构及分类 5.2.1IGBT结构 IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的漏极上增加了一个P+层，成为IGBT的集电极，如图5.1所示。从图中可以看出，IGBT是由一个纵向的PNP管和一个横向的N沟MOS并联而成的。在正常工作时，P+区衬底接正电位，称为IGBT器件的集电极C(或阳极A)，同时也是PNP晶体管的发射极。通过多晶硅栅介质引出的电极为IGBT的栅极G，IGBT的发射极E(或称阴极K)将N+与P基极短接。 图5.1IGBT的结构 对应于图5.1所示的IGBT结构，表5.1给出了IGBT中寄生参数的产生、性质及符号。 表5.1IGBT的寄生电容及电阻 符号名称产生和性质 Cge栅极发射极电容栅极和发射极金属化部分的重叠引起的电容取决于栅极发射极电压，但与集电极发射极电压无关 Cce集电极发射极电容N-基极区与P阱区之间的电容取决于单元的表面积、漏源击穿电压以及漏源电压 Cgc栅极集电极电容米勒电容，由于栅极和N-基极区之间的重叠而产生 Rg栅极内阻多晶硅栅极的电阻，在多芯片并联的模块中，常常有附加的串联电阻以削弱芯片之间的振荡 RdN-base区电阻N-基极区的电阻(PNP晶体管的基极电阻) RwP阱区横向电阻寄生NPN双极型晶体管的基极发射极之间的电阻 从图5.1的IGBT剖面图中可以得到IGBT的等效电路模型，如图5.2所示。图5.2(a)所示的IGBT等效电路中包含一只理想功率MOSFET，以及一个寄生NPN晶体管： N+发射区(发射极)、P+阱区(基极)、N-基极区(集电极)。在这个寄生结构里，位于发射极之下的P+阱区的电阻被视为基极发射极电阻Rw。此外，下列区域组合构成了一个PNP晶体管： P+集电极区(发射极)、N-基极区(基极)、P+阱区(集电极)。这个PNP晶体管与上面的NPN晶体管一起构成了一个晶闸管结构。另外，两个相邻的IGBT单元之间还有一个寄生的JFET结构(图中未给出)。在IGBT正常工作时，要避免寄生NPN晶体管的导通，否则IGBT将失去栅控能力，发生闩锁效应。因此，等效电路中的寄生NPN管可以忽略，简化后的IGBT等效电路如图5.2 (b)所示，即IGBT可以看作是一个N沟道增强型MOSFET与一个PNP双极型晶体管的达林顿结构。 图5.2IGBT的等效电路模型 （a） IGBT的等效电路； （b） 简化的IGBT等效电路 在实际电路中，IGBT的图形符号一般有三种，如图5.3所示，实际应用中多采用图5.3(a)所示的符号。 图5.3N型IGBT的图形符号 5.2.2PTIGBT和NPTIGBT IGBT在大多数情况下采用垂直式(VIGBT)结构，即栅极、发射极位于芯片上表面，集电极位于芯片的下表面。此类IGBT的负载电流在沟道之外垂直通过芯片，而导电沟道则是横向的。平面式IGBT(LIGBT)结构是从微电子技术移植而来的，其集电极由P+阱区构成，位于芯片的表面，负载电流沿水平方向，此种结构的IGBT便于集成，但性能没有VIGBT好，故主要用在复杂的单芯片电路中。 目前，垂直式IGBT通常分为两种，一种是最早出现的穿通型(Punch Through，PT)IGBT，如图5.4(a)所示； 另一种是非穿通型 (Non Punch Through，NPT)IGBT，如图5.4(b)所示。两种结构的基本区别在于，在PT型IGBT的N- 基极和P+集电极之间存在一个高扩散浓度的N型缓冲层。PT型IGBT的N-层掺杂浓度较低，且有一个N+缓冲层，所以它的穿通击穿电压低于雪崩击穿电压，在加阻断电压发生穿通击穿前不会发生雪崩击穿，故称其为穿通型IGBT。缓冲层的引入，降低了双极晶体管的增益，减小了集电极关断拖尾电流，降低了导通压降。重掺杂的缓冲层大大降低了器件从P+发射极(IGBT集电极)的注入效率，在器件关断时尤为明显，这造成PHIGBT的通态压降大于NPTIGBT。然而，在给定阻断电压时，PT型器件有更薄的N-基区，而N-基区的厚度是影响通态压降的关键因素，因此， 通过合理地设计漂移区和缓冲区的厚度，PT型IGBT可以取得更低的通态压降。 图5.4两种IGBT的结构及其正向截止状态下的电场强度分布 （a） PTIGBT； （b） NPTIGBT 图5.4还给出了两种IGBT正向截止状态下的电场强度分布，这也正反映了两种结构名称的由来： NPTIGBT正向截止时J2结在N-基极区的耗尽层没到达P+集电极层，电场只分布于N-基极的部分区域，故称为非穿通型IGBT； PTIGBT正向截止时J2结的耗尽层终止于N型薄缓冲层，电场分布于整个N-基极区，故 称为穿通型IGBT。与PTIGBT相比，NPTIGBT的背P+发射区极薄且掺杂浓度相对较低，所以NPTIGBT背发射区注入效率比PTIGBT低得多。在NPTIGBT中，因为背发射极电流中的电子流成分很大，器件关断时N-基极 区存储的大量电子可以通过流向背发射区而很快清除掉，空穴可以迅速地流向P阱，所以开关时间短，拖尾电流小，开关损耗小。虽然NPTIGBT背发射极注入效率较低且N-基极区较宽，但由于N-基极区少子寿命很长，使得N-基极区载流子电导调制效应更加显著，NPT型IGBT的饱和压降并不比PT型高。另外，NPT型IGBT有一个突出的优点就是器件关断时拖尾电流随温度变化很小，器件的可靠性很高。 图5.5PTIGBT制作流程示意图 PTIGBT和NPTIGBT的制造工艺也有很大的不同。PT型IGBT制作流程如图5.5所示，它是在P+单晶上外延N+缓冲层和N-基区，再于N-层表面区制造MOSFET结构而成。由于制造方法的限制，其P+背发射区必须足够厚以保证不碎片，并且掺杂足够高以保证电阻小，所以P+发射区的空穴注入效率很高。这一结构的优点是在器件导通时，高的发射效率可使大量空穴从背面注入到N-基区中，大量电子则通过器件正面的N型沟道流入N-基区，这样在基区可形成很好的电导调制，使通态压降很低。但这一结构也产生了一个严重的问题，由于背发射极的空穴注入效率很高，在流经P+N-结的电流中，电子流所占成分很小，在关断时，N-区积累了大量电子无法从背P+区流出，电子只能在N-区靠自身的载流子复合来消失， 这样就大大延长了IGBT的关断时间，从而使PTIGBT的关断损耗较高。 实际中，通常采用离子辐照的方法来控制N-基区的载流子寿命，减小集电极电流拖尾时间和寄生双极晶体管电流增益，以此降低关断损耗，提高抗闭锁能力。然而少子寿命的降低使电导调制作用减弱，影响正向压降， 退火工艺可克服这一弱点。通过离子辐射引入的晶格损伤和相应的陷阱复合中心使载流子寿命和迁移率下降的同时，也造成栅氧化层俘获电荷的增加，造成MOS器件门槛电压的负向漂移和跨导的退化，为克服这一负面影响，一般采取抗辐射加固工艺减少对栅氧化层造成的影响。 图5.6为NPTIGBT制作工艺流程图。 图5.6NPTIGBT制作流程示意图 5.3IGBT的工作原理 下面以NPTIGBT结构为例分析IGBT的工作模式。在图5.1所示的IGBT结构中，当栅极G与发射极E短接且接正电压、集电极C接负电压时，J1、J3结反偏，J2结正偏。反偏结J1、J3阻止电流的流通，此时器件处于反向截止状态，反向电压主要由J1结承担，耗尽层大部分向低掺杂的N-基极层扩展，高掺杂的P+集电极层中的耗尽层则很窄。当栅极G与发射极E短接，集电极C相对于栅极加正压时，J1、J3结正偏，而J2结反偏，电流仍然不能流通，此时IGBT处于正向截止状态，电压主要由J2结承载。穿通型IGBT的正反向阻断能力较好。对于具有缓冲层的IGBT(即PTIGBT)，由于N型缓冲层阻止了J3结的耗尽区向N-基极区的扩展，使得其反向击穿电压比NPTIGBT低，即PTIGBT具有较低的反向阻断能力。 图5.7IGBT导通时载流子的流向 当集电极C加正压，栅极G相对于发射极E也施加一定的正压时(VCE>0，VGE>Vth)，IGBT的MOS沟道形成如图5.7所示，电子流从N+发射极通过该沟道流入N-集电极区，由于电子的注入，降低了N- 基极区的电位，从而加速了P+集电极区向N-基极区注入空穴的进程，使器件很快进入正向导通状态。对于一定的 VGE，当VCE达到一定值时，沟道中电子漂移速度达到饱和漂移速度，则集电极电流IC就出现饱和。随着VGE的增加，表面MOSFET的沟道区反型加剧，通过沟道的电子电流增加，使得器件的IC增加。 为了满足一定的耐压要求，N-基极区往往选择较厚且轻掺杂的外延层。当沟道形成后，P+衬底注入到N-基极区的空穴(少子)对N-基极区进行电导调制，使N-基极区的载流子浓度显著提高，阻抗减小，降低了N-基极区的导通压降，克服了MOS器件导通电阻高的弱点，使IGBT在高压时仍具有较低的通态电压。 IGBT在继承MOS电压驱动、安全工作区宽、开关速度快等优点的同时，兼备了功率BJT正向导通压降小、电流密度大的优点，而且由于在宽基区很好地利用了载流子的电导调制效应，从而克服了MOS导通电阻随器件耐压的增加而增大的致命缺点。虽然相对于MOS而言，IGBT的工作频率有所下降，但是它已经适合在几十千赫兹的频率下工作了。另外，IGBT的制作工艺是与MOS兼容的，在工艺上没有难度，适合大规模生产。综上所述，IGBT综合了以往传统功率开关器件各自的优点，较好地实现了开关损耗和通态压降的折中，是一种较为理想的功率开关器件。也正是由于IGBT的优良性能，从20世纪80年代末起它就已经成为国际上高频功率开关器件领域的主流器件。 5.4IGBT的特性分析 IGBT的开关作用： 通过加正向栅压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通； 反之，加反向栅压消除沟道，流过反向基极电流使IGBT关断。IGBT的工作特性包括静态特性和动态特性两类。 5.4.1IGBT的静态特性 IGBT的静态特性主要有转移特性和输出特性。IGBT的转移特性是指输出集电极电流IC与栅极和发射极电压VGE之间的关系。它与功率MOSFET的转移特性相同，当栅极和发射极之间的电压小于阈值电压Vth时，IGBT处于关断状态。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与VGE成线性关系。栅极和发射极之间的最高电压受最大集电极电流限制，最佳值一般为15V左后。IGBT能实现电导调制的最低栅极和发射极电压VGE随温度升高略有下降，在25℃时的值一般为2~6V。 IGBT的输出特性是指以栅极和发射极之间的电压VGE为参变量时，集电极电流IC与漏源压VCE之间的关系曲线，图5.8给出了典型IGBT器件的IV关系曲线。输出特性曲线的形状与双极型晶体管相似，但因为IGBT是压控器件，故其参变量是栅源电压VGE，而不是基极电流。与功率BJT相似，输出曲线也分为正向阻断区、饱和区和主动区(放大区)，当VGE<0时，IGBT处于反向阻断工作状态。 图5.8IGBT的输出特性(N沟道增强型) 另外，IGBT的通态压降可以近似为背面PN结二极管上的压降与MOSFET沟道压降之和，因而IGBT的通态压降不低于一个二极管的阈值电压，即为了使IGBT导通，J3结要正偏，C、E间至少要有0.6V左右的电压。 5.4.2IGBT的动态特性 IGBT的动态特性主要描述其导通、关断时的瞬态过程，即器件的开关特性。开关速度的快慢对器件的开关损耗有很大的影响，因而在高频应用时，器件的开关损耗在总功耗中占了绝大部分。器件的开关过程可以分为导通和关断两个过程，其中又以关断过程尤为重要，因为IGBT的开启过程与MOSFET很相似，故开启速度很快，而关断过程则与MOSFET不同，故减小IGBT的开关损耗主要就是减小该器件的关断损耗。 从器件的结构及工作原理(图5.1)来看，IGBT器件总电流由两部分组成，既含有来自沟道的MOS分量，又含有从PN结注入的双极分量，即IIGBT= IMOS +IBJT。IGBT的开通瞬态特性主要由内部等效MOSFET结构决定，如图5.9的左端，未加入VCE之前，IGBT处于阻断状态，ic≈0，VCE为电源电压值； 加入VCE后，IGBT转换状态。动态特性是从VCE由低转向高时作为起点，当VCE从低电平(一般为负值)转向高电平需要一段过程，VCE上升至VCE(th)时，ic才开始从无到有。 VCE从低转高瞬间到ic从无到有的瞬间称为开通延迟时间，用td(on)表示； 出现集电极电流ic到VCE开始下降这段时间称为电流上升时间，用tri表示； 从VCE开始下降到降为最低这段时间分两段，即tfr1段和tfr2段，tfr1段只有等效MOSFET起作用，tfr2段等效MOSFET与等效PNP管同时起作用，因此，tfr2长短取决于两个因素： 其一是IGBT的CE间电压降低时，它的GE间电容增加，致使电压下降时间变长，这与MOSFET相似； 其二是IGBT内等效PNP管从放大状态转为饱和状态要有一个过程，这个过程使电压下降时间变长，这说明只有当tfr2下降曲线快结束时，IGBT的集电极电压才进入饱和阶段。还要提及的是，VGE(t)在td(on)和tri段都是按指数规律变化，而tfr1及tfr2段GE间流过驱动电流，相当于GE间呈现二极管正向特性，所以tfr1及tfr2段的VGE (t)保持不变。当IGBT完全导通后，驱动结束，VGE (t)又呈现指数规律变化，VGE最终达到栅极电源电压值。 图5.9IGBT的开关瞬态特性 IGBT关断时的瞬态变化情况如图5.9右端所示。关断是由VGE下降所引起的，VGE开始下降后，ic及VCE并不立即变化，要待VGE下降到阈值电压VGE(th)时，VCE才开始上升，这段时间为td(off)。此后，当VCE达到阻断值时，ic才开始下降，这段时间为trv。这两段时间都由等效MOSFET决定，合起来称为关断延迟时间。ic开始下降后，它的下降过程又分为两个阶段，前段为tfi1，这段时间仍由等效MOSFET决定，tfi1的末尾等效MOSFET已关断，再往后的tfi2段内只有等效PNP晶体管中存储电荷起作用，这些体内存储电荷难以被迅速消除，所以IGBT的集电极电流的下降需要经过一段较长的时间。由于在ic下降期间已降低集电极电压，过长的下降时间会产生较大的功耗，使结温升高，所以希望此段时间越短越好。穿通型IGBT因无N+缓冲区，故其下降时间较短； 相反，非对称型IGBT的下降时间较长。 在实际应用中，用IGBT集电极电流ic的瞬态特性定义开关时间。IGBT的开关时间包括上升时间、开通时间、下降时间、关断时间，其定义如下： IGBT的上升时间tr对应于瞬态特性的tri； IGBT的开通时间t0对应于瞬态特性的td (on)； IGBT的下降时间 tf对应于瞬态特性的tfi1与tfi2之和； IGBT的关断时间toff对应于瞬态特性的td(off)与trw的和。 IGBT的开关时间比功率MOSFET稍大，但比BJT开关时间小，它的开关时间只有BJT的1/10。开关时间短是IGBT得以广泛应用并发展较快的原因之一。 对于IGBT的关断时间，最大的一个限制因素是N-基极层中少数载流子的寿 命，即PNP管基区中少子的寿命。因为对于IGBT中的PNP管来说，基区没有直接引出电极，所以无法像BJT那样，通过外部驱动电路加大基极反抽电流来减小其过量存储电荷，以此缩短开关时间。虽然该PNP管类似于达林顿连接，它的关断时间要比同样处于深饱和的PNP管短许多，但即便如此，仍不能满足许多高频应用的要求。在关断时，基区的存储电荷使得IGBT的电流波形出现了尾部电流。因此减小tf2对提高IGBT的关断速度是十分重要的。tf2可以通过电子辐照等少子寿命控制技术加以控制，并通过在PN结之间加N型缓冲层等工艺方法来降低PNP管的增益，使通态压降变大。但是少子寿命的降低虽然提高了器件的关断速度，却使IGBT的N-基极区的调制作用减弱，调制电阻增加，导致正向压降上升。所以IGBT的通态压降与关断时间之间存在一个折中关系，要视情况而定。 5.5小结 本章主要介绍了IGBT的结构及工作原理，包括分类、等效电路、静态特性、动态特性。IGBT作为一种新型的电力电子器件，它的诸多优点在各个特性中都有不同的体现，如输入阻抗大、驱动功率小、导通电阻小、开关损耗低、工作频率高等。 参考文献 ［1］周志敏，周纪海，纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路［M］.北京： 人民邮电出版社，2006. ［2］张国俊,王刚.IGBT的发展情况及特点分析［J］.微处理机，2003，3： 13. ［3］罗海辉，黄建伟，Ian Devin,等.沟槽栅IGBT深槽工艺研究［J］.大功率变流技术，2013，2： 1216. ［4］郭红霞,杨金明.IGBT的发展［J］.元器件应用，2006，9： 5156. ［5］丁顺, 邢岩, 王钧,等.IGBT串联动态均压特性分析与控制［J］.电工技术学报,2018,33(14):31943201. ［6］C.Sandow,P.Brandt,H.P.Felsl,et al.IGBT with superior longterm switching behavior by asymmetric trench oxide［C］.2018 IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2018. 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