1、何為IGBT？

GBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一個(gè)有MOS Gate的BJT晶體管。奇怪吧，它到底是MOSFET還是BJT？其實(shí)都不是又都是。不繞圈子了，他就是MOSFET和BJT的組合體。
我在前面講MOSFET和BJT的時(shí)候提到過他們的優(yōu)缺點(diǎn)，MOSFET主要是單一載流子(多子)導(dǎo)電，而BJT是兩種載流子導(dǎo)電，所以BJT的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)比MOSFET大，但是MOSFET的控制級(jí)柵極是靠場(chǎng)效應(yīng)反型來控制的，沒有額外的控制端功率損耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)組合起來的，兼有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又利用了BJT的雙載流子達(dá)到大電流(低導(dǎo)通壓降)的目的(Voltage-Controlled Bipolar Device)。從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應(yīng)用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

​2、傳統(tǒng)的功率MOSFET請(qǐng)點(diǎn)擊此處輸入圖片描述

為了等一下便于理解IGBT，我還是先講下Power MOSFET的結(jié)構(gòu)。所謂功率MOS就是要承受大功率，換言之也就是高電壓、大電流。我們結(jié)合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓、大電流。

1)高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導(dǎo)致器件擊穿，而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解決高壓?jiǎn)栴}必須堵死這三端。Gate端只能靠場(chǎng)氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate)，而Bulk端的PN結(jié)擊穿只能靠降低PN結(jié)兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區(qū)上就可以了。
2) 大電流：一般的MOSFET的溝道長(zhǎng)度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠?jī)纱螖U(kuò)散的結(jié)深差來控制，所以只要process穩(wěn)定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L，所以如果要獲得大電流，只需要提高W就可以了。
所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。雖然這樣的器件能夠?qū)崿F(xiàn)大功率要求，可是它依然有它固有的缺點(diǎn)，由于它的源、柵、漏三端都在表面，所以漏極與源極需要拉的很長(zhǎng)，太浪費(fèi)芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯(lián)則復(fù)雜性增加而且需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區(qū)長(zhǎng)度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結(jié)構(gòu)更利于管子之間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結(jié)構(gòu)，為了與CMOS兼容。
再給大家講一下VDMOS的發(fā)展及演變吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來的(如下圖)，他就是傳說中的Planar VDMOS，它和傳統(tǒng)的LDMOS比挑戰(zhàn)在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于它溝道是橫在表面的，面積利用率還是不夠高。
再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點(diǎn)，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結(jié)構(gòu)。他們的做法是在Wafer表面挖一個(gè)槽，把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的vertical，果然是個(gè)聰明的想法。但是一個(gè)餡餅總是會(huì)搭配一個(gè)陷阱(IC制造總是在不斷trade-off)，這樣的結(jié)構(gòu)天生的缺點(diǎn)是槽太深容易電場(chǎng)集中而導(dǎo)致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對(duì)rouding，否則很容易擊穿或者產(chǎn)生應(yīng)力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點(diǎn)是晶飽數(shù)量比原來多很多，所以可以實(shí)現(xiàn)更多的晶體管并聯(lián)，比較適合低電壓大電流的application。

還有一個(gè)經(jīng)典的東西叫做CoolMOS，大家自己google學(xué)習(xí)吧。他應(yīng)該算是Power MOS撐電壓最高的了，可以到1000V。
3、IGBT的結(jié)構(gòu)和原理

上面介紹了Power MOSFET，而IGBT其實(shí)本質(zhì)上還是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從結(jié)構(gòu)上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏電極增加了一個(gè)P+層，我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實(shí)根本上來講它還是傳統(tǒng)的MOSFET，它依然是單一載流子(多子)導(dǎo)電，所以我們還沒有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來發(fā)展出一個(gè)新的結(jié)構(gòu)，我們?nèi)绾文軌蛟赑ower MOSFET導(dǎo)通的時(shí)候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎？所以自然的就在漏端引入了一個(gè)P+的injection layer (這就是名字的由來)，而從結(jié)構(gòu)上漏端就多了一個(gè)P+/N-drift的PN結(jié)，不過他是正偏的，所以它不影響導(dǎo)通反而增加了空穴注入效應(yīng)，所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導(dǎo)電。所以原來的source就變成了Emitter，而Drain就變成了Collector了。

從上面結(jié)構(gòu)以及右邊的等效電路圖看出，它有兩個(gè)等效的BJT背靠背鏈接起來的，它其實(shí)就是PNPN的Thyristor(晶閘管)，這個(gè)東西不是我們刻意做的，而是結(jié)構(gòu)生成的。我在5個(gè)月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了，這樣的結(jié)構(gòu)最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關(guān)鍵就在于控制Rs，只要滿足α1+α2
另外，這樣的結(jié)構(gòu)好處是提高了電流驅(qū)動(dòng)能力，但壞處是當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，溝道很快關(guān)斷沒有了多子電流，可是Collector (Drain)端這邊還繼續(xù)有少子空穴注入，所以整個(gè)器件的電流需要慢慢才能關(guān)閉(拖尾電流, tailing current)，影響了器件的關(guān)斷時(shí)間及工作頻率。這個(gè)可是開關(guān)器件的大忌啊，所以又引入了一個(gè)結(jié)構(gòu)在P+與N-drift之間加入N+buffer層，這一層的作用就是讓器件在關(guān)斷的時(shí)候，從Collector端注入的空穴迅速在N+
buffer層就被復(fù)合掉提高關(guān)斷頻率，我們稱這種結(jié)構(gòu)為PT-IGBT (Punch Through型)，而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。

一般情況下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因?yàn)镹PT是正溫度系數(shù)(P+襯底較薄空穴注入較少)，而PT是負(fù)溫度系數(shù)(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導(dǎo)致的三極管基區(qū)調(diào)制效應(yīng)明顯)，而Vce(sat)決定了開關(guān)損耗(switch loss)，所以如果需要同樣的Vce(sat)，則NPT必須要增加drift厚度，所以Ron就增大了。