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IGBT技术和栅极结构

作者:海飞乐技术 时间:2019-07-10 16:40

  N沟道IGBT基本就是一个构建在P型基板上的N沟道MOSFET,如图1中的IGBT横截面所示。(PT IGBT还有n+层,后面将进行阐述)。

N沟道PT IGBT横截面以及IGBT等效电路 
图1:N沟道PT IGBT横截面以及IGBT等效电路
 
  因此,IGBT的运行非常类似功率MOSFET。从发射极施加到栅极端的正电压导致电子被拉向主体区域的栅极端子。当栅极发射极电压等于或高于阀值电压时,就会有足够的电子被拉向栅极,形成跨越主体区域的导电通道,从而允许电流从集电极流向发射极。在漂移区域内,电子流创造了从P-型基板到发射极的正电荷空穴。因此,IGBT中的电流由电子和空穴组成。注入空穴(少数载流子)能够显著减少漂移区电流的有效电阻,称为电导调制。通态电压的降低是IGBT与功率MOSFET相比较而言的主要优势。通常来说,在高电流运行条件下,600V IGBT比600V MOSFET具有更低的导通损耗。
 
  当然,没有白给的东西。较低通态电压的代价就是开关速度的损失,尤其是在关断状态下。与关断时的功率MOSFET一样,通过将基极-发射极电压降至阀值电压之下,IGBT的电子流就会突然停止流动。然而,空穴却会保留在漂移区域,无法去掉它们,除非通过关断时呈现为尾电流损耗的电压梯度和重组。通常来说,对于以低频率运行的IGBT而言,关断损耗不算个问题。低通态电压的另一个代价是,若IGBT在超过数据表额定值时工作正常,则有可能发生闭锁。闭锁是一种故障模式,其中IGBT电流不再由N沟道MOS栅极控制。这可以通过分析如1所示的IGBT详细等效电路解释。该等效电路包括PNP和NPN双极性晶体管,连接为类似一个四层寄生晶闸管。当两个寄生晶体管的电流增益大于或等于1(aNPN+aPNP≥1)时,寄生晶闸管就被闭锁。将PNP和NPN晶体管的总增益设计为小于1,就能够避免闭锁状况或再生反馈回路。
 
  1. IGBT技术和栅极结构
  由于IGBT中的电流由电子和空穴组成,IGBT性能的关键在于少数载流子结构设计,较低通态电压、开关速度和耐用性之间的平衡。
  存在两种平面型IGBT(穿通和非穿通)。这两种平面型IGBT具有相似的顶部结构。两个平面型IGBT技术工艺之间的主要区别是穿通(PT)和非穿通之间的垂直器件结构。
 
  1.1 PT(穿通)IGBT
  当在P+基板和N-漂移区域存在N+缓冲层时,IGBT称为穿通,如图3所示。由于存在N+缓冲层,PT IGBT结构有时是非对称的。在晶片处理期间,N+缓冲层和N-区域位于P+基板上,PT结构显示出其特征性外延层。由于外延晶片工艺,P+层很厚,导致空穴载流子注入效率很高。换句话说,PNP寄生晶体管的电流增益很高。较高的空穴载流子注入效率有助于改进电导调制,使得IGBT具有较低的VCE(on)。还有一个好处就是可以通过相同的正向阻断电压减少N-漂移区域的厚度,因为N+缓冲层能够改善正向阻断特性。
 
  N+缓冲层具有高掺杂度,它具有两个主要功能:1)截止电场并避免穿通行为产生的失效,因为在施加的高电压条件下耗尽区域扩展受到该层的限制;2)快速吸收陷落的空穴并减小尾电流,通过提高关断期间的空穴重组率缩短IGBT的下降时间。在特定开关频率下PT IGBT与NPT IGBT技术相比,具有较低的VCE(on)。
 
  1.2 NPT(非穿通)IIGBT
  NPT IGBT具有对称结构,因此不具有N+缓冲层。还有其他不同。NPT结构的基材是均质N-掺杂晶元。
PT和NPT IGBT结构比较 
图2: PT和NPT IGBT结构比较
  N-漂移区域中的电场已截止,正向阻断特性由N-漂移区域的厚度决定。在晶片处理期间,在晶片的背面植入了个特殊形成的P+层。P+层很薄,因此可以精确控制掺杂浓度,并且空穴载流子注入效率较低,也就是说寄生PNP晶体管的电流增益较低。因此,不需要缓冲层,也不需要限制具有合理尾电流的空穴载流子使用寿命。NPT IGBT的有效VCE(on)通常高于PT IGBT,原因是PNP晶体管的电流增益较低并且电导调制较低。尽管NPT IGBT的N-漂移区域比PT IGBT厚,整体NPT IGBT晶片比PT IGBT薄,同时保持相当的正向阻断特性。因此,处理较薄晶片的特性是NPT IGBT制造的一个额外且必要的工艺。相反,寄生PNP晶体管的较低增益使得NPT IGBT比PT IGBT耐用。NPT IGBT耐用性通常会转化为更长的短路耐受时间或更佳的短路额定值。NPT IGBT的正温度系数对需要并联器件的电路有帮助,因为高温会使单个NPT IGBT在VCE(on)上升时传导较少电流。
 
  1.3 FS(场截止)IGBT
  目前,最新场截止IGBT技术综合了NPT和PT工艺技术,如图3所示。与NPT工艺类似,场截止IGBT具有较薄的P+层且空穴载流子注入效率较低,从而导致寄生PNP电流增益较低。另一方面FS IGBT还具有类似PT工艺的缓冲层。但它与PT的不同点在于该缓冲层掺杂度较弱。由于PNP晶体管较低的电流增益,该弱掺杂度层的唯一目的就是截止电场。该弱掺杂度层叫做场截止层,以便与PT中的N+缓冲层区分开。因此,场截止同时集成了PT和NPT IGBT的优势。FS IGBT提供较低的通态Vce和较低的关断开关损耗。基于该工艺技术,场截止IGBT能够较好地平衡传导损耗、开关速度和耐用性。图4显示NPT与FS技术之间的Eoff和Vce性能。
场截止IGBT结构 
图3: 场截止IGBT结构
不同IGBT技术比较 
图4: 不同IGBT技术比较
 
  1.4 平面和沟道栅极结构
  从一开始,平面栅极架构就早已广泛应用在IGBT技术中。最近,IGBT器件的性能通过沟道栅极结构得到改善。沟道栅极为IGBT结构中的MOSFET部分提供更高的通道密度,同时去除了JFET电阻元件。此外,靠近发射极的N-基极区域中的自由载流子浓度也得到加强。对具有相同阻断电压特性的平面型器件,尤其是具有高开关速度的器件而言,这些现象都帮助减少了通态压降。
栅极结构 



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