詳細(xì)的介紹IGBT的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn),收藏以后用得上資料下載
2021-04-12 |
pdf |
283.67KB |
次下載 |
3積分
資料介紹
很多讀者要求介紹一下IGBT內(nèi)容,這期就論述IGBT基礎(chǔ):結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),下一篇回到MOSFET,介紹完MOSFET相關(guān)內(nèi)容后,再進(jìn)一步介紹IGBT的數(shù)據(jù)表。
我們的工程師經(jīng)常會問到: 穿透型、非穿透型IGBT,這里的"穿透"、"非穿透"是什么含義?IGBT具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),如穿透型、非穿透型和現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的場截止型,以及平面柵結(jié)構(gòu)發(fā)展到溝槽柵結(jié)構(gòu),這些不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的IGBT,具有不同的特性,因此也對應(yīng)著不同的應(yīng)用要求。
本文將詳細(xì)的介紹這些不同的結(jié)構(gòu),同時,論述這些結(jié)構(gòu)的特性,增強(qiáng)對IGBT的認(rèn)知感,從而正確的區(qū)別和選取不同的結(jié)構(gòu)的IGBT,滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
1 平面型IGBT的結(jié)構(gòu)
功率MOSFET是N、P、N三層的結(jié)構(gòu),從圖1可以看到,IGBT是N、P、N、P四層的結(jié)構(gòu),相對于功率MOSFET,下面多了一層P,因此,IGBT可以看作是一個小的控制MOSFET和一個大電流的三極管并聯(lián),同時,MOSFET的D極通過一個二極管連接到C極。
圖1:平面型高壓IGBT結(jié)構(gòu)
當(dāng)G極上加電壓時,和功率MOSFET的工作原理一樣,在G極下面P變成N,形成反型層,從而形成電流流通的溝道,內(nèi)部的MOSFET就導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通后,就將三極管的B極拉到地,從而將三極管導(dǎo)通,整個IGBT開通,開始工作。關(guān)斷的過程如之類似。可以看到,IGBT相當(dāng)于將絕緣柵簡單的電壓制特性與雙極三極管器件的強(qiáng)大導(dǎo)電能力結(jié)合起來,因此,具有二者的優(yōu)點(diǎn)。
圖2:高壓IGBT工作原理
背面的P區(qū)為IGBT的集電極,P區(qū)命名為集電區(qū)是為了在電路應(yīng)用上與BJT 的符號標(biāo)記取得一致,但在器件物理上,實(shí)際為寄生 PNP 的發(fā)射區(qū),因此,又稱為背發(fā)射區(qū)。
平面型IGBT有三種常用的內(nèi)部結(jié)構(gòu):穿通型PT: Punch Through,非穿通型NPT: Non Punch Through,場截止型FS: Field Stop,如圖3所示。下面分別介紹這三種結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。
(a)穿通PT型 (b)非穿通NPT型 (c)場終止FS型 圖3:平面型高壓IGBT結(jié)構(gòu)
1.1 平面穿通型IGBT結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
穿通型是最早的一種結(jié)構(gòu),在制作這種結(jié)構(gòu)的IGBT時,先以P型的襯底為基礎(chǔ),在P上依次通過生長的方式制作N緩沖層、N外延層,然后再制作內(nèi)部的體P型區(qū)(Body P)和N型發(fā)射極區(qū)。這種工藝的過程是先制作三極管,然后再制作MOSFET。
可以看到,對于穿通型結(jié)構(gòu),由于襯底的厚度大,為了減小導(dǎo)通壓降,必須在襯底P區(qū)采用重?fù)诫s,高的注入效率,可以保證低的導(dǎo)通壓降,但是,容易形成過剩的載流子,從而減慢關(guān)斷的速度,形成大的電流拖尾,產(chǎn)生大的開關(guān)損耗。
少子的壽命越長,擴(kuò)散長度就越大。在三極管中,為了保證少數(shù)載流子在基區(qū)的復(fù)合盡量少,以獲得較大的電流放大系數(shù)和通過電流的能力,這樣,必須把基區(qū)寬度縮短到少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度以下,因此,要求基區(qū)的少數(shù)載流子壽命越長越好。
在這種結(jié)構(gòu)中,內(nèi)部的二個P區(qū)中間的N區(qū),是三極管的基極區(qū),為了減小導(dǎo)通的壓降,通常,N型基極區(qū)不能使用太大的厚度。P區(qū)的少子是電子,當(dāng)N型的基極區(qū)厚度較小時,內(nèi)部的體P區(qū)的少子,可以穿過整個的N型的基極區(qū),進(jìn)入到集電極的P區(qū),這樣,雖然減小了N型的基極區(qū)導(dǎo)通壓降,但是,在關(guān)斷的過程中,這些少子就容易形成更大的電流拖尾,顯著的增大了開關(guān)損耗。因此,通常利用制作中間緩沖層可以減小N型基極區(qū)(高阻區(qū))的厚度以及輻射照射的方法,改善導(dǎo)通壓降VCES、電流拖尾和開關(guān)時間。
正因?yàn)閮?nèi)部的體P區(qū)的少子,可以穿過N型的基極區(qū),進(jìn)入到P型的集電極區(qū),所以,這種結(jié)構(gòu)稱為穿通型結(jié)構(gòu)。
圖4:穿通型結(jié)構(gòu)
集電結(jié),也就是背發(fā)射結(jié),具有重的摻雜濃度和高的注入效率,高的發(fā)射效率導(dǎo)致大量的空穴迅速從背面注入到N型基極區(qū),電子流過表面反型溝道也注入到N型基極區(qū),在基區(qū)形成強(qiáng)的的電導(dǎo)調(diào)制,得到較低的導(dǎo)通壓降。但是,器件關(guān)斷時,電子難以從背面的P型集電極區(qū)流出,幾乎只能在N型基極區(qū),依靠自身復(fù)合消而失,因此,這種結(jié)構(gòu)的集電極區(qū)對電子而言,是非透明的,也就是關(guān)斷時,IGBT的集電極無法抽取過剩載流子,產(chǎn)生電流拖尾,延緩器件關(guān)斷,增大開關(guān)損耗,所以,穿通型結(jié)構(gòu)的集電極也稱非透明集電極。
為了解決上述問題,降低載流子壽命,只有依靠輻照技術(shù)。輻照工藝可能控制少子壽命,雖然可以減小電流的拖尾,但是,輻照導(dǎo)致IGBT的飽和導(dǎo)通電壓VCES是負(fù)溫度系數(shù),不能并聯(lián)工作,限制了在一些大功率系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時,VCES的負(fù)溫度系數(shù)特性,也容易導(dǎo)致內(nèi)部寄生的晶閘管發(fā)生電閂鎖效應(yīng),從而損壞IGBT。
由于少子壽命短,P型集電區(qū)的濃度高,內(nèi)部的PNP晶體管增益大,溫度升高時,少子壽命和內(nèi)部晶體管的增益也隨之增大,導(dǎo)致注入N型基極區(qū)的正電荷不斷增加,關(guān)斷速度減慢,開關(guān)損耗增大,同時,雪崩擊穿電壓也降低。
此外,這種結(jié)構(gòu)的硅片的厚度大,因此熱阻大,散熱性能差。但是,這種結(jié)構(gòu)只需要簡單的外延生長,因此工藝過程簡單,硅片的厚度大,加工制作的過程也比較容易控制。
1.2 平面非穿通型IGBT結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
非穿通型IGBT是先制作MOSFET,再制作三極管,工藝過程就是先以N型的外延層作基礎(chǔ),在上面依次制作內(nèi)部的體P型區(qū)和N型發(fā)射極區(qū),也就是制作出MOSFET,然后,將硅片反過來,將硅片打磨、減薄,再用等離子注入的方式,在背面制作出非常薄的P型集電極區(qū)。
由于P型集電極區(qū)是在工藝的最后階段采用等離子注入的方式制作,而且厚度非常小,因此,可以采用精確的控制的低摻雜注入,合適的注入效率,可以精確的控制并保證合適的導(dǎo)通壓降,低摻雜使漂移區(qū)無法產(chǎn)生過剩的載滾子,因此,減小電流拖尾,開關(guān)損耗小,形狀速度快,可以工作在更高的工作頻率。
由于P型的集電極非常薄,在保證合適的飽和導(dǎo)通電壓的前提下,可以增大內(nèi)部的N型基極區(qū)的厚度,來保證要求的耐壓值。N型基極區(qū)的厚度較寬,大于P區(qū)少子可以穿越的能力,就可以極大的減小的電流的拖尾和關(guān)斷損耗,從而進(jìn)一步提高這種結(jié)構(gòu)的工作頻率。正因?yàn)檫@個原因,這種結(jié)構(gòu)也稱為非穿通型結(jié)構(gòu)。
圖5:非穿通型結(jié)構(gòu)
內(nèi)部N型基極區(qū)的厚度大,飽和導(dǎo)通壓降增大,導(dǎo)通損耗也增大。但是,寬的N型基極區(qū)、低的集電區(qū)摻雜濃度以及長的少子壽命,可以減小內(nèi)部的PNP晶體管的增益,同時,溫度升高時,少子壽命和晶體管的增益隨溫度變化幅度小,因此,這種結(jié)構(gòu)的溫度特性非常穩(wěn)定,雪崩擊穿電壓穩(wěn)定,抗短路及二次雪崩的能力也較強(qiáng)。少子壽命長,器件具有由遷移率決定的電壓正溫度系數(shù),不需要輻照工序控制少子壽命,所以,這種結(jié)構(gòu)的IGBT的VCES是正溫度系數(shù),可以并聯(lián)工作,實(shí)現(xiàn)電流均流,擴(kuò)大功率應(yīng)用的范圍。而且,具有較小的晶閘管鎖定效應(yīng),可靠性高。
集電極的摻雜濃度低,厚度薄,注入效率偏低,關(guān)斷時,流過集電極的電流中電子流占主導(dǎo),基區(qū)的大量過剩電子,可以以擴(kuò)散流的方式,穿透極薄的集電區(qū)快速流出,電流拖尾小,開關(guān)損耗小,實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷,所以,非穿通型結(jié)構(gòu)的集電極也稱透明集電極。
對于雪崩能力UIS,通常,不考慮自身發(fā)熱,二者基本相同;如果考慮自身發(fā)熱,PT遠(yuǎn)低于NPT ,因?yàn)镹PT型具有更低的損耗,溫升更小。
這種結(jié)構(gòu)的硅片的厚度小,因此熱阻小,同樣的規(guī)格,非穿透型比穿透型的熱阻要低40%,散熱性大大的提高。但是,在生產(chǎn)的過程中,這種結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行背面減薄,然后再進(jìn)行光刻、刻蝕、離子注入、退火、表面金屬化和鈍化等一系列的工藝,容易發(fā)生碎片和彎曲問題,制造的工藝過程復(fù)雜,不容易控制,成本高,成品率低。
1.3 平面場截止型IGBT結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
非穿通型IGBT內(nèi)部,具有較寬的N型基極區(qū),這個區(qū)的厚度影響IGBT的耐壓,通常,這個區(qū)的的外延生長采用等濃度的摻雜工藝,從電場的分布來看,關(guān)斷期間,從N型基極區(qū)到整個襯底,由最大值線性下降到0,這種三角形電場分布,對應(yīng)著較差的、最浪費(fèi)硅片厚度的均勻的摻雜濃度分布,即,導(dǎo)通狀態(tài)下,N型基極區(qū)的內(nèi)部電阻相當(dāng)大。如果降低N型基極區(qū)的電阻,調(diào)整摻雜濃度,則會影響器件其它性能,如耐壓值。因此,在這種結(jié)構(gòu)中,N型基極區(qū)的厚度是影響飽和導(dǎo)通壓降VCES的主要因素。改進(jìn)的方法是改變內(nèi)部電場的分布,將三角形的電場分布,改變?yōu)樘菪坞妶龇植?,這樣,在保證耐壓等參數(shù)的前提下,可以降低N型基極區(qū)的厚度,從而極大的降低導(dǎo)通壓降,如圖6所示。
這種結(jié)構(gòu)前面的工序和非穿通型一樣,不同之處在于,當(dāng)背面減薄后,先制作一層重?fù)诫s的N型電場截止層,對應(yīng)著相同規(guī)格,場截止層的摻雜濃度等于非穿通型減小的N型基極區(qū)厚度的摻雜濃度的總和。也就是它們在N型基極區(qū)的摻雜總量一定,單位面積下,摻雜濃度沿厚度方向的積分總和相等。但是,非穿通型IGBT分布在更寬的區(qū)域,而場截止型將非穿通型內(nèi)部大部分的N型基極區(qū)的摻雜濃度,壓縮在非常窄的場截止層。電場強(qiáng)度在場截止層中快速的下降到到0,場截止層的尺寸非常小,N型基極區(qū)的電場強(qiáng)度降低的值可以忽略,因此,電場的阻斷能力和N型基極區(qū)厚度關(guān)系不大,可以采用薄的N型基極區(qū)襯底,飽和壓降低,導(dǎo)通損耗小,關(guān)斷速度更快,基本無電流拖尾,開關(guān)損耗小。
由于中間增加一個電場截止層,因此,這種結(jié)構(gòu)稱為場截止型結(jié)構(gòu)。
(a) 非穿通NPT型 (b) 場截止FS型(a) 圖6:非穿通和場截止型內(nèi)部電場分布
場截止型結(jié)構(gòu)具有非穿透型的優(yōu)點(diǎn),如低的電流拖尾、高的開關(guān)速度、VCES正溫度系數(shù)和優(yōu)異的高溫特性,同時,它也具有穿透型低的飽和壓降的特點(diǎn)。但是,這種結(jié)構(gòu)的硅片更薄,加工的難度更大。
下面給出了二個表,同樣的規(guī)格,對應(yīng)著不同結(jié)構(gòu)時,內(nèi)部的工藝尺寸。可以看到,NPT和FS的硅片的總厚度比PT減小一半以上,最主要的差別在于集電極,NPT和FS的集電極的尺寸都非常小。和上面討論的一樣,NPT的基極區(qū)的尺寸遠(yuǎn)大于PT型,但FS的通過中間加入尺寸非常小的電場截止層,進(jìn)一步減小硅片厚度。
表1:1200V IGBT內(nèi)部尺寸
下載該資料的人也在下載
下載該資料的人還在閱讀
更多 >
- 收藏!姿態(tài)估計(jì)開源項(xiàng)目匯總資料下載
- 做好PCB設(shè)計(jì),學(xué)好這9個永遠(yuǎn)用得上的技巧資料下載
- 6個msp430 學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),看完收藏用得上資料下載
- 實(shí)用電子常識,收藏備用資料下載
- 一文了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)資料下載
- 六個單片機(jī)C語言基礎(chǔ)編程源碼,了解一下,隨時用得上資料下載
- 幾種常用電容器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)介紹資料下載
- 盤點(diǎn)幾款工控自動化常用的保護(hù)電路,收藏以后能用得上資料下載
- MOS管結(jié)構(gòu)構(gòu)造、特點(diǎn)、實(shí)用電路資料下載
- MOS管和IGBT的選料參考資料免費(fèi)下載 16次下載
- LABVIEW結(jié)構(gòu)的九個應(yīng)用實(shí)驗(yàn)例題詳細(xì)資料免費(fèi)下載 31次下載
- 為什么要學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用詳細(xì)資料概述免費(fèi)下載 13次下載
- VCO-108和108TC額定運(yùn)行參數(shù)的詳細(xì)資料免費(fèi)下載
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析的C語言描述的電子教材詳細(xì)資料免費(fèi)下載 0次下載
- TMS320C54X DPS硬件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的詳細(xì)中文資料概述 10次下載
- IGBT與MOS管的區(qū)別 1510次閱讀
- IGBT器件的結(jié)構(gòu)和工作原理 1536次閱讀
- IGBT有源鉗位技術(shù)的介紹 1849次閱讀
- Zigbee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)的詳細(xì)介紹 1.2w次閱讀
- 16張經(jīng)典機(jī)械動圖快來收藏吧 1w次閱讀
- 光耦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)_光耦的性能特點(diǎn)_光耦的優(yōu)點(diǎn) 3720次閱讀
- 電工的電氣接線圖與原理圖大合集全是精品來收藏吧 2.6w次閱讀
- 逆變器核心開關(guān)器件IGBT的應(yīng)用特點(diǎn)、可靠性 7351次閱讀
- 詳細(xì)IGBT的開通過程(IGBT結(jié)構(gòu)及工作原理) 5w次閱讀
- 電動商用車對IGBT模塊有什么要求?IGBT在電動商用車的應(yīng)用特點(diǎn)概述 5417次閱讀
- 卡諾圖化簡法例題詳解 32.7w次閱讀
- ptn技術(shù)特點(diǎn)及體系結(jié)構(gòu)詳解 2.1w次閱讀
- 平面變壓器的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)介紹_平面變壓器結(jié)構(gòu)圖 3.7w次閱讀
- 什么是電路拓?fù)?b class="flag-6" style="color: red">結(jié)構(gòu)_多種pfc電路的拓?fù)?b class="flag-6" style="color: red">結(jié)構(gòu)介紹 5.1w次閱讀
- 幾種微型傳感器件的結(jié)構(gòu)和原理詳細(xì)介紹 1.7w次閱讀
下載排行
本周
- 1TC358743XBG評估板參考手冊
- 1.36 MB | 330次下載 | 免費(fèi)
- 2開關(guān)電源基礎(chǔ)知識
- 5.73 MB | 6次下載 | 免費(fèi)
- 3100W短波放大電路圖
- 0.05 MB | 4次下載 | 3 積分
- 4嵌入式linux-聊天程序設(shè)計(jì)
- 0.60 MB | 3次下載 | 免費(fèi)
- 5基于FPGA的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
- 0.61 MB | 2次下載 | 免費(fèi)
- 651單片機(jī)窗簾控制器仿真程序
- 1.93 MB | 2次下載 | 免費(fèi)
- 751單片機(jī)大棚環(huán)境控制器仿真程序
- 1.10 MB | 2次下載 | 免費(fèi)
- 8基于51單片機(jī)的RGB調(diào)色燈程序仿真
- 0.86 MB | 2次下載 | 免費(fèi)
本月
- 1OrCAD10.5下載OrCAD10.5中文版軟件
- 0.00 MB | 234315次下載 | 免費(fèi)
- 2555集成電路應(yīng)用800例(新編版)
- 0.00 MB | 33564次下載 | 免費(fèi)
- 3接口電路圖大全
- 未知 | 30323次下載 | 免費(fèi)
- 4開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例指南
- 未知 | 21549次下載 | 免費(fèi)
- 5電氣工程師手冊免費(fèi)下載(新編第二版pdf電子書)
- 0.00 MB | 15349次下載 | 免費(fèi)
- 6數(shù)字電路基礎(chǔ)pdf(下載)
- 未知 | 13750次下載 | 免費(fèi)
- 7電子制作實(shí)例集錦 下載
- 未知 | 8113次下載 | 免費(fèi)
- 8《LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)》 溫德爾著
- 0.00 MB | 6653次下載 | 免費(fèi)
總榜
- 1matlab軟件下載入口
- 未知 | 935054次下載 | 免費(fèi)
- 2protel99se軟件下載(可英文版轉(zhuǎn)中文版)
- 78.1 MB | 537796次下載 | 免費(fèi)
- 3MATLAB 7.1 下載 (含軟件介紹)
- 未知 | 420026次下載 | 免費(fèi)
- 4OrCAD10.5下載OrCAD10.5中文版軟件
- 0.00 MB | 234315次下載 | 免費(fèi)
- 5Altium DXP2002下載入口
- 未知 | 233046次下載 | 免費(fèi)
- 6電路仿真軟件multisim 10.0免費(fèi)下載
- 340992 | 191185次下載 | 免費(fèi)
- 7十天學(xué)會AVR單片機(jī)與C語言視頻教程 下載
- 158M | 183279次下載 | 免費(fèi)
- 8proe5.0野火版下載(中文版免費(fèi)下載)
- 未知 | 138040次下載 | 免費(fèi)
評論
查看更多