IGBT（绝缘栅双极晶体管）发展史简述 - EN易恩电气.PDF

IGBT （绝缘栅双极晶体管）发展史简述 1 前言 西安易恩电气科技有限公司（ ）致力于电力半导体器件测试方案供 应 ，主要产品有 IGBT 动静态特性参数测试系统 ，IPM 特性参数测试系统 ，半导体分立器件 测试系统 ，雪崩耐量测试系统，浪涌测试系统，热阻测试系统，可控硅参数测试仪，MOS 管 参数测试仪等。 编写此文 ，以供行业人士学习阅读。 近年来，随着我国经济的持续快速发展， 能源消耗日趋紧张 ，节约能源是我国的基本 国策。据报道，全球的电能消耗 50％来 自电动机。当前，在电动机驱动系统中，已经从强 电控制进人弱电控制的节能时代。新型电力电子器件在该系统中扮演着重要的角色，它是机 械自动化 ，控制智能化的关键部件 ，是节约电能的新型半导体器件。因此，大力发展新型电 力电子器件的设计制造以及模块的开发和应用是节约电能的重要措施 。IGBT 作为新型电力 电子器件的代表 ，是整机系统提高性能指标和节能指标的首选产品。它集高频率 、高电压 、 大电流等优点于一 身，是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。 I GBT 主要用于逆变器 、低 噪音电源 、UPS 不间断电源以及电动机变频调速等领域。 I GBT 的用途非常广泛，小到变频空调 、静音冰箱 、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器， 大到电力机车牵引系统都离不开它。I GBT 在军事机载 、舰载 、 雷达等随动系统中也有广 泛 的用途。 2 国际、国内现状 IGBT 是上世纪 80 年代初研制成功，并在 其性能上，经过几年的不断提高和改进，已 成熟地应用于高频(20KHz 以上)大功率领 域。它将 MOSFET 的电压控制、控制功率 小 、 易于并联、开关速度高的特点和双极 晶体管的电流密度大、电流处理能力强、饱 和压降低的特点集中于一身，表现出高耐 压、大电流 、高频率等优越的综合性能。 图 1 和图 2 分别是槽栅 IGBT 结构和单 晶片透明集电极 NPT—I GBT 结构，两种 都是当今世界上流行的先进结构。 作者简介 ： 王兵(1986年)， 男 ， 甘肃省平凉市人 ． 西安易恩电气 / 产品部 / 产品经理， 主研方向： 半导体分立器件测试系统产品的研发制造。 2.1、IGBT 的技术特点 目前，世界上最先进的 IGBT 结构及技术特点 ： ② NPT — I GBT 和 F r e nch—I GBT ； ② 亚微米线条精度 大规模 CMOS I C 工艺； ② 薄单晶硅片技术； ③ 背 P 发射极技术； ④ 分层辐照技术。 2.2 IGBT 的发展背景 1982 年 美国 RCA 公司和 GE 公司先后发明了 IGBT。设计者很巧妙地将 VDMOS 的 N 衬底换成 P 衬底， 引人 PN 结注人机制， 使高阻 N 一漂移区产 生电导调制效应 ， 大大降低了导通电阻。在 VDMOS 的基础上，进行这一小 的变动就形 成了 MOS、双极 相结合的 I GBT ，导通电阻的降低加上 MOS、双极双 电流通道使 I GBT 的电流密度很高 ， 具备了 MOS 和 双极的双重优点。 然而。早期的 IGBT 还不能使用，当时器件存在两个主要问题 ： ① 器件内部寄生了 PNPN 晶闸管结构，使器件产生闭锁效应，导致栅失去控制能力。 ② 由于 N 一漂移区存在非平衡载流子的注人，在器件关断时，有一个较长时间的拖尾 电流，影响了器件的开关速度。 这两个问题都是引人 PN 结注人机制所带来的。后来经过几年的努力，从结构和工艺上 采用了以下技术： ① P 阱区两步扩散技术； ② 加人 N 缓冲层技术 ； ③ N 一漂移区少子寿命控制技术 ； ④ 元胞设计技术。 采用以上技术后，解决了上述问题。 1986 年，IGBT 得到了真正的应用。此后，为了进一步改善 IGBT 的性能，提高 IGBT 的电流容量 、功率容量和开关速度，降低 IGBT 的通态损耗和开关损耗，人们一直致力于改 善 IGBT 两个重要的、相互矛盾的参数，即通态压降 Vce(sat)和关断时间 toff。从 IGBT 结 构的三个组成部分：MOS 结构、N 一基区(包括 N 缓冲层)和 P 集电区进行不断改