絕緣柵雙極型晶體管

絕緣柵雙極晶體管廠(chǎng)家介紹

深圳市可易亞半導體科技有限公司.是一家專(zhuān)業(yè)從事中、大、功率場(chǎng)效應管(MOSFET)、快速恢復二極管、三端穩壓管開(kāi)發(fā)設計，集研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。

2005年在深圳福田，KIA半導體開(kāi)啟了前行之路，注冊資金1000萬(wàn)，辦公區域達1200平方，已經(jīng)擁有了獨立的研發(fā)中心，研發(fā)人員以來(lái)自韓國(臺灣)超一流團隊，可以快速根據客戶(hù)應用領(lǐng)域的個(gè)性來(lái)設計方案，同時(shí)引進(jìn)多臺國外先進(jìn)設備，業(yè)務(wù)含括功率器件的直流參數檢測、雪崩能量檢測、可靠性實(shí)驗、系統分析、失效分析等領(lǐng)域。強大的研發(fā)平臺，使得KIA在工藝制造、產(chǎn)品設計方面擁有知識產(chǎn)權35項，并掌握多項場(chǎng)效應管核心制造技術(shù)。自主研發(fā)已經(jīng)成為了企業(yè)的核心競爭力。

KIA半導體的產(chǎn)品涵蓋工業(yè)、新能源、交通運輸、綠色照明四大領(lǐng)域，不僅包括光伏逆變及無(wú)人機、充電樁、這類(lèi)新興能源，也涉及汽車(chē)配件、LED照明等家庭用品。KIA專(zhuān)注于產(chǎn)品的精細化與革新，力求為客戶(hù)提供最具行業(yè)領(lǐng)先、品質(zhì)上乘的科技產(chǎn)品。

從設計研發(fā)到制造再到倉儲物流，KIA半導體真正實(shí)現了一體化的服務(wù)鏈，真正做到了服務(wù)細節全到位的品牌內涵，我們致力于成為場(chǎng)效應管（MOSFET）功率器件領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，為了這個(gè)目標，KIA半導體正在持續創(chuàng )新，永不止步！

KIA絕緣柵雙極晶體管證書(shū)

歷時(shí)3年再次獲批發(fā)明專(zhuān)利一項-《絕緣柵雙極型晶體管制備方法》

絕緣柵雙極晶體管介紹

絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）綜合了電力晶體管（Giant Transistor—GTR）和電力場(chǎng)效應晶體管（Power MOSFET）的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性，應用領(lǐng)域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結構雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。多使用在工業(yè)用電機、民用小容量電機、變換器（逆變器）、照相機的頻閃觀(guān)測器、感應加熱（InductionHeating）電飯鍋等領(lǐng)域。根據封裝的不同，IGBT大致分為兩種類(lèi)型，一種是模壓樹(shù)脂密封的三端單體封裝型，從TO－3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD （FleeWheelDiode）成對地（2或6組）封裝起來(lái)的模塊型，主要應用在工業(yè)上。模塊的類(lèi)型根據用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。

IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。MOSFET由于實(shí)現一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，與同一個(gè)標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化 IGBT驅動(dòng)器的原理圖。

絕緣柵雙極型晶體管結構

圖1（a）所示為一個(gè)N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+ 區稱(chēng)為源區，附于其上的電極稱(chēng)為源極。N+ 區稱(chēng)為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱(chēng)為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區（包括P+ 和P 一區）（溝道在該區域形成），稱(chēng)為亞溝道區（ Subchannel region ）。而在漏區另一側的P+ 區稱(chēng)為漏注入區（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導電調制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入區上的電極稱(chēng)為漏極。

IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對N 一層進(jìn)行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

工作特性

靜態(tài)特性：

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉移特性和開(kāi)關(guān)特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無(wú)N+ 緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線(xiàn)。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與Ugs呈線(xiàn)性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。

由于N+ 區存在電導調制效應，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

動(dòng)態(tài)特性：

IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。 IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動(dòng)電路產(chǎn)生。當選擇這些驅動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應該比許多MOSFET驅動(dòng)電路提供的偏壓更高。

IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿(mǎn)足電力電子應用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上。目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現高壓應用。國外的一些廠(chǎng)家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導體生產(chǎn)廠(chǎng)商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。

工作原理

N溝型的 IGBT工作是通過(guò)柵極－發(fā)射極間加閥值電壓VTH以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層（溝道），開(kāi)始從發(fā)射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數載流子，從集電極襯底p+層開(kāi)始流入空穴，進(jìn)行電導率調制（雙極工作），所以可以降低集電極－發(fā)射極間飽和電壓。在發(fā)射極電極側形成n+pn－寄生晶體管。若n+pn－寄生晶體管工作，又變成p+n－ pn+晶閘管。電流繼續流動(dòng)，直到輸出側停止供給電流。通過(guò)輸出信號已不能進(jìn)行控制。一般將這種狀態(tài)稱(chēng)為閉鎖狀態(tài)。

為了抑制n+pn-寄生晶體管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體管的電流放大系數α作為解決閉鎖的措施。具體地來(lái)說(shuō)，p+n-p的電流放大系數α設計為0.5以下。 IGBT的閉鎖電流IL為額定電流（直流）的3倍以上。IGBT的驅動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定。

導通：

IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分），其中一個(gè)MOSFET驅動(dòng)兩個(gè)雙極器件?；膽迷诠荏w的P+和N+ 區之間創(chuàng )建了一個(gè)J1結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現一個(gè)電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整陰陽(yáng)極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時(shí)出現兩種不同的電流拓撲：一個(gè)電子流(MOSFET 電流)；空穴電流（雙極）。uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。

導通壓降：

電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。

關(guān)斷：

當在柵極施加一個(gè)負偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開(kāi)始后，在N層內還存在少數的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問(wèn)題：功耗升高；交叉導通問(wèn)題，特別是在使用續流二極管的設備上，問(wèn)題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的，尾流特性與VCE、IC和 TC有關(guān)。

柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。

反向阻斷：

當集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，J1 就會(huì )受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì )向N-區擴展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機制十分重要。另一方面，如果過(guò)大地增加這個(gè)區域尺寸，就會(huì )連續地提高壓降。

正向阻斷：

當柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，P/NJ3結受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

閂鎖：

IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì )導通。這種現象會(huì )使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì )引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導通現象被稱(chēng)為IGBT閂鎖，具體地說(shuō)，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閂鎖有如下主要區別：

當晶閘管全部導通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現。

只在關(guān)斷時(shí)才會(huì )出現動(dòng)態(tài)閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。

為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。

此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結溫的關(guān)系也非常密切；在結溫和增益提高的情況下，P基區的電阻率會(huì )升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。

發(fā)展前景

2010年，中國科學(xué)院微電子研究所成功研制國內首款可產(chǎn)業(yè)化IGBT芯片，由中國科學(xué)院微電子研究所設計研發(fā)的15-43A /1200V IGBT系列產(chǎn)品（采用Planar NPT器件結構）在華潤微電子工藝平臺上流片成功，各項參數均達到設計要求，部分性能優(yōu)于國外同類(lèi)產(chǎn)品。這是我國國內首款自主研制可產(chǎn)業(yè)化的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）產(chǎn)品，標志著(zhù)我國全國產(chǎn)化IGBT芯片產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程取得了重大突破，擁有了第一條專(zhuān)業(yè)的完整通過(guò)客戶(hù)產(chǎn)品設計驗證的IGBT工藝線(xiàn)。該科研成果主要面向家用電器應用領(lǐng)域，聯(lián)合江蘇矽萊克電子科技有限公司進(jìn)行市場(chǎng)推廣，目前正由國內著(zhù)名的家電企業(yè)用戶(hù)試用，微電子所和華潤微電子將聯(lián)合進(jìn)一步推動(dòng)國產(chǎn)自主IGBT產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。

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