IGBT的發(fā)展史

IGBT是英文單詞Insulated Gate Bipolar Transistor，它的中文意思是絕緣柵雙極型晶體管。從功能上來說，IGBT就是一個電路開關(guān)，優(yōu)點(diǎn)就是用電壓控制，飽和壓降小，耐壓高?？梢杂迷陔妷簬资綆装俜考?、電流幾十到幾百安量級的強(qiáng)電上。可在早期IGBT可不是這么“強(qiáng)大”的，接下來和金譽(yù)半導(dǎo)體一起了解一下。

1979年，MOS柵功率開關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個類晶閘管的結(jié)構(gòu)（P-N-P-N四層組成），其特點(diǎn)是通過強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（雙擴(kuò)散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體）工藝被采用到IGBT中來。在那個時(shí)候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT（非穿通）型設(shè)計(jì)。后來，通過采用PT（穿通）型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個顯著改進(jìn)，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進(jìn)步，以及采用對應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計(jì)的n+緩沖層而進(jìn)展的。幾年當(dāng)中，這種在采用PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)規(guī)則從5微米先進(jìn)到3微米。

90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構(gòu)。在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間折衷的更重要的改進(jìn)。

硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。

這次從穿通（PT）型技術(shù)先進(jìn)到非穿通（NPT）型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術(shù)會有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制致使其輸運(yùn)效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)則是基于不對少子壽命進(jìn)行殺傷而有很好的輸運(yùn)效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進(jìn)而言之，非穿通（NPT）技術(shù)又被軟穿通（LPT）技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術(shù)，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進(jìn)一步改善。

1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實(shí)現(xiàn)，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進(jìn)的寬元胞間距的設(shè)計(jì)。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ汀保鎸?dǎo)型）功能的IGBT器件的新概念正在進(jìn)行研究，以求得進(jìn)一步優(yōu)化。

IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動，各種驅(qū)動保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。

平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。

現(xiàn)在，大電流高電壓的IGBT已模塊化，制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動電路。其性能更好，整機(jī)的可靠性更高及體積更小。

審核編輯 黃昊宇