igbt工作原理和作用

　　igbt工作原理和作用

 

　　IGBT是绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。兼有金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点，GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。

 

　　MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

 

　　IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

 

　　IGBT选型四个基本要求

 

　　1、安全工作区

 

　　在安全上面，主要指的就是电的特性，除了常规的变压电流以外，还有RBSOA（反向偏置安全工作区）和短路时候的保护。这个是开通和关断时候的波形，这个是相关的开通和关断时候的定义。我们做设计时结温的要求，比如长期工作必须保证温度在安全结温之内，做到这个保证的前提是需要把这个模块相关的应用参数提供出来。这样结合这个参数以后，结合选择的IGBT的芯片，还有封装和电流，来计算产品的功耗和结温，是否满足安全结温的需求。

 

　　2、热限制

 

　　热限制就是我们脉冲功，时间比较短，它可能不是一个长期的工作点，可能突然增加，这个时候就涉及到另外一个指标，动态热阻，我们叫做热阻抗。这个波动量会直接影响到IGBT的可靠性，就是寿命问题。你可以看到50赫兹波动量非常小，这个寿命才长。

 

　　3、封装要求

 

　　封装要求主要体现在外部封装材料上面，在结构上面，其实也会和封装相关，因为设计的时候会布局和结构的问题，不同的设计它的差异性很大。

 

　　4、可靠性要求

 

　　可靠性问题，刚才说到结温波动，其中最担心就是结温波动以后，会影响到这个绑定线和硅片之间的焊接，时间久了，这两种材料本身之间的热抗系数都有差异，所以在结温波动情况下，长时间下来，如果工艺不好的话，就会出现裂痕甚至断裂，这样就会影响保护压降，进一步导致ICBT失效。第二个就是热循环，主要体现在硅片和DCB这个材料之间，他们之间的差异性。如果失效了以后，就分层了，材料与材料之间特性不一样，就变成这样情况的东西，这个失效很明显。

 

　　IGBT的工作原理

 

　　1.开机

 

　　IGBT硅片的结构与功率MOSFET非常相似。主要区别在于IGBT增加了P+衬底和N+缓冲层。其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。衬底的应用在管体的 P+ 和 N+ 区域之间创建了 J1 结。当正栅极偏压使栅极下方的P基区反转时，形成N沟道。同时出现电子电流，电流的产生方式与功率MOSFET完全相同。如果该电子流产生的电压在 0.7V 范围内，J1 将正向偏置。一些空穴被注入到 N 区并调整阴极和阳极之间的电阻率。以这种方式，减少了功率传导的总损耗，并开始了第二次充电流。最终结果是在半导体层次结构中暂时出现了两种不同的电流拓扑：电子流（MOSFET 电流）；空穴电流（双极）。

 

　　2.关机

 

　　当对栅极施加负偏压或栅极电压低于阈值时，沟道被禁止，没有空穴注入N区。在任何情况下，如果 MOSFET 电流在开关阶段迅速下降，则集电极电流会逐渐下降。这是因为，换相开始后，N层中仍有少量载流子（次载流子）。此剩余电流值（唤醒电流）的减少完全取决于关闭时的电荷密度。密度与几个因素有关，例如掺杂剂的数量和拓扑结构、层厚和温度。少数载流子的衰减导致集电极电流具有特征性的尾流波形。集电极电流会导致以下问题： 1. 功耗增加；2.二极管。

 

　　由于尾流与少数载流子的复合有关，因此尾流的电流值应与芯片的温度和与IC和VCE密切相关的空穴迁移率密切相关。因此，根据所达到的温度，减少电流对终端设备设计的这种不良影响是可行的。

 

　　3.阻塞和锁定

 

　　当在集电极上施加反向电压时，J1 将受到反向偏压的控制，耗尽层将扩展到 N 区。如果该层的厚度减少太多，将无法获得有效的阻挡能力。因此，这种机制非常重要。另一方面，如果你将这个区域的大小增加太多，它会不断增加压降。第二点清楚地解释了为什么 NPT 器件的电压降高于等效（IC 和速度相同）的 PT 器件。

 

　　当栅极和发射极短接并在集电极端施加正电压时，P/N J3结由反向电压控制。此时，N漂移区的耗尽层仍承受外加电压。

 

　　一般情况下，静态锁存器和动态锁存器的主要区别如下：

 

　　当晶闸管都打开，静态锁存发生。动态闭锁仅在晶闸管关断时发生。这种特殊现象严重限制了安全操作区域。为了防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，需要采取以下措施：防止NPN部分导通，分别改变布局和掺杂水平，降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，锁存电流对 PNP 和 NPN 器件的电流增益有一定的影响。因此，它与结温有非常密切的关系；当结温和增益增加时，P基区的电阻率会增加，破坏整体特性。所以，

 

　　五、IGBT的历史

 

　　1979年，MOS栅极功率开关器件作为IGBT概念的先驱被引入世界。该器件外观为类晶闸管结构（PNPN四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成V型槽栅。

 

　　1980年代初，IGBT采用了用于功率MOSFET制造技术的DMOS（Double Diffusion Formed Metal-Oxide-Semiconductor）工艺。当时的硅片结构是较厚的NPT（non-punch through）型设计。后来通过使用PT（punch-through）结构方法，在参数权衡上获得了显着的提升。这是由于硅晶片外延技术的进步以及为给定阻断电压设计的 n+ 缓冲层的使用。在过去的几年里，这种在PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅极结构的设计规则已经从5微米进步到3微米。

 

　　1990年代中期，沟槽栅结构回归到IGBT的新概念，它是借用大规模集成（LSI）工艺的硅干法刻蚀技术实现的一种新刻蚀工艺，但仍然是punch-through（ PT) 型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了通态电压和关断时间之间权衡的更重要的改进。

 

　　穿通（PT）技术具有较高的载流子注入系数，由于需要控制少数载流子的寿命，因此其传输效率变差。另一方面，非穿通（NPT）技术是基于不扼杀少数载流子寿命，具有良好的传输效率，但其载流子注入系数相对较低。此外，非穿通（NPT）技术已被软穿通（LPT）技术所取代，类似于一些人所说的“软穿通”（SPT）或“电场截止” (FS)型技术，这使得“性价比”的整体效果得到了进一步的提升。

 

　　1996年，CSTBT（载流子存储沟槽栅双极晶体管）实现了第五代IGBT模块，该模块采用弱穿通（LPT）芯片结构，采用更先进的宽单元间距设计。目前，IGBT器件的“反向阻断型”功能或“反向传导型”功能等新概念正在研究中，以进一步优化。