IGBT是啥？看完这篇文章你还不明白就不要再做电子行业。

发现电力是人类历史上的重大突破，在它的带动下每天释放的能量源源不断供应着社会需求，在当今社会电力的重要性已超越氧气的存在对于生命的支撑作用，在这样的背景下如果没有电力，则人类文明将在黑暗中继续探索前行

然而，在电力电子领域中扮演着核心角色的是IGBT器件。缺少了这样的器件就无法实现现代高铁带来的便捷生活体验。

一说起IGBT半导体制造的人都不觉得它是一个分立器件(Power Disceret)，很多人都对其不屑一顾。然而实际上它与28nm/16nm集成电路制造一样都是国家"02专项"的重点扶持对象这一技术已经是全球领先的水平其应用范围也非常广泛从家电到飞机船舶交通及电网等多个战略性领域都被广泛应用被称为电力电子行业的"CPU"地位长期以来该产品包括芯片都主要由台积电(FairCharge) Infineon 和东芝(TOSHIBA)等少数几家国际大公司主导生产目前处于"十二五"期间国家16个重大技术突破专项中的第二位（简称 "02专项"）

究竟IGBT是何方神圣？让我们一起来学习它的理论吧。

1、何为IGBT？

IGBT全称为Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管），它被称为一种具有MOS栅门结构的晶体管器件。听起来有些困惑吗？其实它既不是单纯的MOSFET也不是传统的BJT晶体管。说白了,它是将这两种不同类型的半导体器件巧妙地结合在一起形成的混合型器件。

在之前的讲解中涉及了MOSFET与BJT的特点及其优缺点对比。
其中,MOSFET的工作机制基于单一载流子导电原理,而BJT则依赖于双载流子导电机制。
从驱动电流的角度来看,由于其特殊的双载流子特性,BJT能够提供较大的驱动电流,但在功耗表现上却稍逊于MOSFET。
值得注意的是,MOSFET通过场效应反向作用实现控制,避免了额外的外部控制端引入的能量损耗。
基于以上特点,IGBT正是融合了这两种器件的优势而形成的高效放大器件。
这种新型晶体管不仅具备高输入阻抗的特点,还能通过双载流子机制实现较低的导通压降。
这样一来,IGBT不仅能够满足小功率驱动的要求,还能够在高电压环境下展现出卓越的表现。
这种高效节能的设计理念使其广泛应用于电压超过600伏特的各种变流装置中,
并涵盖了交流电机、变频器、开关电源、照明电路以及牵引传动等多个领域。

2、传统的功率MOSFET

为了更好地理解IGBT的工作原理以便后续学习，请让我先介绍Power MOSFET的结构特点。功率MOS器件需要承受高电压和大电流其工作特性包括承受高电压和大电流的能力通过对比普通低压MOSFET与高压MOSFET的工作原理差异我们可以更好地理解如何通过优化结构实现高压与大电流输出的能力。

高电压：一般来说，在常规MOSFET器件中，在Drain端子施加高电压会容易导致器件发生击穿现象；而通常情况下，在这种情况下形成通路的方式就是让漏极直接接触另外三个关键点（S/G/B）。因此为了解决高压问题必须阻止这三个关键点（S/G/B）与漏极直接接触；对于Gate端子来说，则只能依靠场氧化层将其与漏极隔离开来；而Bulk端的PN结击穿现象则可以通过降低其两端杂质浓度来缓解。

2. 大电流：一般型MOSFET的沟道宽度主要由Poly gate决定，在此基础之上进行微调即可实现较小尺寸。而对于功率型MOSFET，则通过两次扩散结深度之差来精确控制沟道宽度，在制造工艺稳定的条件下完全不受光刻精度限制。因此，在这种结构中器件中的电流大小主要取决于宽度与长度比值（W/L），因此仅需增大宽度参数即可显著提高工作电流水平。

所以上述Power MOSFET也被称为LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。尽管这类器件能够实现大功率需求，但它们仍有一些固有的局限性：由于其源栅漏三端均位于表面区域，因此漏极与源极之间的距离必须拉得非常长以满足性能要求。这种设计导致芯片面积消耗较大且不利于大规模集成器件之间的并联连接；此外，在同一层面上布置多个器件会导致电路布局复杂度上升且难以实现有效的隔离措施。因此逐渐发展出了VDMOS(Vertical DMOS)技术，在这一架构中将漏极统一布置于芯片背面区域以减少面积占用并提高效率；通过背面减薄工艺可有效控制漂移区长度从而进一步提升器件性能指标；然而在某些工艺流程（如BCD工艺）中仍需保留LDMOS结构以确保兼容性。

再给大家讲一下VDMOS的发展及演变吧？让我再来为您介绍VDMOS的发展历程及其演变过程。最早发展的VDMOS工艺则是将LDMOS的Drain端子直接放置在背面，并通过背面减薄技术、Implantation工艺以及金属蒸发技术进行制作（如图所示），这一工艺被后人称为Planar VDMOS。相较于传统的LDMOS工艺而言，则主要的技术难点在于背面工艺的处理。不过这种结构也存在明显的缺陷：沟道宽度横跨表面区域，在这种情况下导致的有效面积利用率较低。

为了克服Planar DMOS所固有的局限性,从而发展出了VMOS与UMOS两种新型结构.在晶圆片表面开槽后,将管子的导电沟槽的方向从平面型改为沿槽壁延伸的方向,确实是一种巧妙的设计方案.然而,这种设计不可避免地带来了新的挑战(IC制造总是要面对各种权衡).具体而言,由于沟槽深度较大,在电场强度分布上可能出现不均匀现象而导致击穿失效,同时工艺复杂度和制造成本也显著提高.此外,为了防止出现击穿或应力晶体缺陷,沟槽底部必须保证光滑无棱角.尽管如此,这种结构仍然具有显著优势:集成晶体管数量较之前大幅提升,特别适用于低功耗、高电流密度的应用场景.

还有一个经典的元素被称为CoolMOS，请建议大家自行在Google官方平台进行学习。它应该被视为Power MOS中撑起最高电压的角色，在电路设计中能够承受高达1000伏的电压。

3、IGBT的结构和原理

在上文中讨论了Power MOSFET这一概念，在此基础上进一步阐述其本质属性及其相关特性。实际上，IGBT本质上仍是一个场效应晶体管，在结构上与Power MOSFET非常接近。具体来说，在背面的漏电极增加了P+层这一细节设计被特意强调，并将其命名为注入层（稍后将详细解释其命名原因）。在之前介绍的Power MOSFET本质上仍然是传统的MOSFET结构——它仍然是基于单一载流子（如多子）导电原理设计而成的。因此，在性能上还存在进一步优化的空间。通过引入额外的设计元素——如在漏端加入P+注入层——我们可以实现更加灵活的功能扩展：即除了依靠MOSFET自身的电子迁移外，在导通过程中还可以从漏端引入空穴这一额外载流子种类。这种设计自然地导致了一个新的结构出现：即在漏端引入了一个P+/N-扩散型PN结（其中P+区域是正偏置），虽然这一偏置不会直接影响导通过程本身但它却能够显著增强空穴注入的效果。这样一来该器件便展现出了一种类似于双极型晶体管（BJT）的行为特征——即同时支持两种载流子类型参与导电过程：一个是来自源端的传统电子迁移（如N-型区域中的电子），另一个则是来自漏端的新注入空穴（如P+型区域中的空穴）。这样一来原本位于源端的位置就被重新命名为Emitter端口而原本位于漏端的位置则被命名为Collector端口。

通过分析左侧电路图及其右侧的等效电路可以看出，在结构上存在两个背靠背连接的等效BJT（二极管晶体管），其本质上是PNPN型晶闸管（Thyristor）。这一结构并非是我们特意设计的结果，而是自然形成的一种特性。值得注意的是，在5个月前的文章中我已经提及过这一现象（Latch-up, [L] ic-garden.cn/?p=511），这种现象在电路设计中是最令人头疼的问题之一——Latch-up（栓锁）。实现这一目的的关键在于调节Rs值，在满足α₁+α₂<1的前提下即可有效防止该问题发生。

另外一种结构设计能够有效提升输出电流能力这一优点的同时，在关断过程中也存在明显的局限性：当关断时沟道迅速关闭而无剩余电流可言。然而，在关断过程中从Collector (Drain)端注入的少子空穴仍然持续存在少量注入现象。因此，在关断完成之前整个器件的输出电流仍需经历一个缓慢下降的过程（拖尾阶段tailing current）。这种现象对开关器件的工作性能而言是一个严重的缺陷。为此，在P+与N-漂移区之间特意增加了N+缓冲层这一设计元素得以实现：在关断过程中从Collector端注入的空穴会在N+缓冲层中被快速复合掉从而显著提高关断速度。基于此原理我们将其命名为PT-IGBT（Punch Through型）而未采用N+缓冲层的传统类型则被称为NPT-IGBT

通常情况下，NPT-IGBT其Vce(sat)值较高与其具有正温系数特性（通过P+衬底较薄且空穴注入量相对较少实现了这一特性），而PT-IGBT则具有负温系数特性（由于P衬底厚度较大导致较多的空穴注入进而产生了明显的基极调制效应），而Vce(sat)参数直接决定了开关功耗（switch loss）。因此，在保持相同Vce(sat)值的前提下为了实现NPT-IGBT的性能优势必须增加其drift层厚度从而导致Ron电阻值上升。

4、IGBT的制造工艺：

IGBT的制程正面和标准BCD的LDMOS没差，只是背面比较难搞：

1. 背面减薄：一般要求6~8mil，这个厚度很难磨了，容易碎片。

背面注层工艺要求已经达到了6至8微米，并且需要施加高电流P+型植入剂（>E14）来完成处理。该工艺容易产生碎片性问题，在实际应用中需要配备专用设备进行 dedicated 的处理。此外，在第四代芯片设计中进一步增加了两次Hi-current注入步骤。

3. 背面清洗：这个一般的SEZ就可以。

4. 背面金属化：这个只能用金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。

5. 背面Alloy：主要考虑wafer太薄了，容易翘曲碎片。

5、IGBT的新技术：

场截止FS-IGBT：无论采用PT还是NPT结构，在无限high power的要求面前都显得力有未逮；若要实现无限high power的能力，则必须要是降低Vce(sat)，即必须要是降低Ron；为此就必须是降低N-drift厚度；然而这一目标又受到截止状态电场的约束（太薄则易导致沟道穿通）。因此要实现降低drift厚度，则必须是在关断状态下电场在FS层内部迅速降为零；为此我们需要在P+注入层与N-drift之间引入一个N+场截止层（Field Stop, FS）；当IGBT处于关断状态时，在此FS层内部电场被迅速降为零从而达到了终止的目的；这样一来我们就可以进一步地减小N-drift厚度以达到减低Ron及Vce的目的；而且此结构与N+缓冲层结构极为相似因而它同样具有PT-IGBT在关断状态下尾流电流被抑制并加快关断速度的效果。

问题来了，这和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里？其实之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EPI做出来的，它是在P+ 衬底上长第一层~10um的N+ buffer，然后再长第二层~100um的N-Drift。这个cost很高啊！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基础上直接背面 打入高浓度的N+截止层就好了，成本比较低，但是挑战是更薄的厚度下如何实现不碎片。

阳极短接(SA: Shorted-Anode)：该结构通过将N+级间歇性插入P+级之间实现。这种设计使得N+级直接连接截止层，并作为PN二极管的阴极功能发挥。同时，在FS-IGBT中P+级不仅维持其集电极作用，并继续承担更大的电流载流能力。值得注意的是这种改进设计不仅提升了饱和电流性能还有效降低了制造成本结构

6、IGBT的主要I-V特性：

IGBT既可以被视为由MOSFET与PiN二极管串联构成的一种电路模型, 也可被视为由宽基区PNP型晶体管通过MOSFET进行驱动形成的Darlington结构, 前者主要用于分析其工作特性, 后者则是其实现工作原理的关键所在。其工作状态下的I-V曲线相较于标准MOSFET向后偏移了一段电压差（超过0.7V）。这是因为为了使沟道形成并产生电流输出, 漂移区电流与漂移区电阻之乘积必须超过所需电压（即0.7V）才能实现结正向导通, 这样才能正常工作（即实现导通）; 如果无法满足这一条件, 沟道无法形成则导致无法输出电流。

作为闲聊话题，在讨论IGBT技术发展时我们经常听说从第一代到第六代的各种提法那么这些具体指的是什么呢？

第一代可以说他是IGBT发展的第一步他的原型基于最基础的原理结构图因此他为了提高IGBT的工作性能尤其是耐压能力就必须提升载流层的数量即提高N-drift这样一来由于导通电阻相对较高以及关断时的能量损耗也有所增加导致这种器件并未被广泛应用

第二代：PT-IGBT器件因耗尽层无法穿透N+缓冲层而形成基区电场梯形分布的现象。这一特性源于西门子公司在1990至1995年间推出的BSM150GB120DN1系列产品（其中DN1标识为第一代产品）。该系列在600伏特时展现出类似于GTR器件的性能优势；然而当电压升至1200伏特时则会遇到外延片厚度大导致成本高昂以及掺杂浓度不均及厚度一致性差等可靠性问题。

第三代：NPT-IGBT技术不再使用外延工艺而是采用离子注入工艺生成P+集电极（透明集电极技术），能够精确调控结层从而优化发射效率至最低程度同时提高载流子抽取速度以降低关断损耗进而维持基区原有载流子寿命而不增加稳态功耗具有正温度系数特性因此该技术已较为成熟在平衡稳态损耗与关断损耗方面取得了良好的折中效果被广泛应用于工业领域主要由西门子公司通过FZ（区熔法）取代传统外延工艺生产对应的代表产品为BSM200GB120DN2其参数显示VCE>1200V Vce(sat)=2.1V

第四代：Trench-IGBT技术的主要改进在于采用Trench结构将沟道从表面延伸至垂直面。这一改动增强了基区PIN效应，并提高了栅极附近载流子浓度。这些变化显著提升了电导调制效应的同时降低了导通电阻。值得注意的是，在第四代IGBT设计中继续沿用了第三代的集电极P+implant技术，并结合了第二代PT技术作为场终止层。这不仅提升了耐压能力还增加了设计复杂度需要采用双注入技术以确保可靠运行。英飞凌作为全球领先的半导体公司其减薄技术处于领先地位在1200V电压下IGBT厚度可降至120~140um（NPT-IGBT则需要200um）。即使在600V电压下仍可实现70um的超薄设计展现出卓越性能

第五代：FS-IGBT和第六代的FS-Trench，在经历了IGBT第四代产品"透明集电区技术和电场中止技术"四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT采用的是第四代产品"透明集电区技术和电场中止技术"的技术组合；而第六代产品则是在第五代基础上进一步优化了沟槽栅结构，并以崭新的形式呈现

当前我国单位国内生产总值的能源消耗水平约为33%，这一指标与发达国家相比仍存在显著差距。当前我国在推动绿色低碳转型过程中所面临的节能挑战相对较为严峻。

按照"十一五规划"的要求,到2010年,中国的能源使用效率较2005年需提高约20%."在新能源产业方面,中国已成为全球最大的太阳能电池生产国,并且风力发电累计装机容量持续四年实现了倍增.这意味着中国新能源市场蕴藏着巨大的商机."无论是太阳能电池、风力发电设备还是新能源汽车,其系统应用都需要将直流电转换为交流电的任务由专门的逆变器完成."其核心技术参数是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),这一关键器件也是价格最高的部件之一."在国际市场上,各国技术不断革新以求突破,而目前我国尚未形成大规模生产能力.主要来自珠海海车和北京车厂的技术用于高铁领域的IGBT技术,'想收购Fairchild'的华润微电子还有华宏宏力的相关技术,'想收购Fairchild'的技术也在开发中.如今国家重点扶持8寸尺寸的IGBT技术.