話說公元2018年,IGBT江湖驚現(xiàn)第六代和第七代的掌門人,一時風頭無兩,各路吃瓜群眾紛紛猜測二位英雄的出身來歷。不禁有好事者梳理了一下英家這些年,獨領風騷的數(shù)代當家掌門人,分別是:
呃,好像分不清這都誰是誰?
呃,雖然這些IGBT“掌門人”表面看起來都一樣,但都是悶騷型的。只能脫了衣服,做個“芯”臟手術。。。
像這樣,在芯片上,橫著切一刀看看。
好像,有點不一樣了。。。
故事,就從這兒說起吧。。。
史前時代-PT
PT是最初代的IGBT,它使用重摻雜的P+襯底作為起始層,在此之上依次生長N+ buffer, N- base外延,最后在外延層表面形成元胞結構。它因為截止時電場貫穿整個N-base區(qū)而得名。它工藝復雜,成本高,而且需要載流子壽命控制,飽和壓降呈負溫度系數(shù),不利于并聯(lián),雖然在上世紀80年代一度呼風喚雨,但在80年代后期逐漸被NPT取代,目前已歸隱江湖,不問世事,英飛凌目前所有的IGBT產(chǎn)品均不使用PT技術。
初代盟主——IGBT2
· 特征:平面柵,非穿通結構(NPT)
NPT-IGBT于1987年出山,很快在90年代成為江湖霸主。NPT與PT不同在于,它使用低摻雜的N-襯底作為起始層,先在N-漂移區(qū)的正面做成MOS結構,然后用研磨減薄工藝從背面減薄到 IGBT 電壓規(guī)格需要的厚度,再從背面用離子注入工藝形成P+ collector。在截止時電場沒有貫穿N-漂移區(qū),因此稱為“非穿通”型IGBT。NPT不需要載流子壽命控制,但它的缺點在于,如果需要更高的電壓阻斷能力,勢必需要電阻率更高且更厚的N-漂移層,這意味著飽和導通電壓Vce(sat)也會隨之上升,從而大幅增加器件的損耗與溫升。
· 技能:低飽和壓降,正溫度系數(shù),125℃工作結溫,高魯棒性
正溫度系數(shù),利于并聯(lián)。
· 名號:DLC,KF2C,S4…
等等,好像混進了什么奇怪的東西!
沒寫錯!S4真的不是IGBT4,它是根正苗紅的IGBT2,適用于高頻開關應用,硬開關工作頻率可達40kHz。這一明星產(chǎn)品,至今銷路仍然不錯。
性能飛躍--IGBT3
· 特征:溝槽柵,場截止(Field Stop)
IGBT3的出現(xiàn),又在IGBT江湖上掀起了一場巨大的變革。IGBT3的元胞結構從平面型變成了溝槽型。溝槽型IGBT中,電子溝道垂直于硅片表面,消除了JFET結構,增加了表面溝道密度,提高近表面載流子濃度,從而使性能更加優(yōu)化。(平面柵與溝槽柵技術的區(qū)別可以參考文章“平面型與溝槽型IGBT結構淺析”)。
縱向結構方面,為了緩解阻斷電壓與飽和壓降之間的矛盾,英家于2000年推出了Field Stop IGBT,目標在于盡量減少漂移區(qū)厚度,從而降低飽和電壓。場截止(Field Stop)IGBT起始材料和NPT相同,都是低摻雜的N-襯底,不同在于FS IGBT背面多注入了一個N buffer層,它的摻雜濃度略高于N-襯底,因此可以迅速降低電場強度,使整體電場呈梯形,從而使所需的N-漂移區(qū)厚度大大減小。此外,N buffer還可以降低P發(fā)射極的發(fā)射效率,從而降低了關斷時的拖尾電流及損耗。(了解更多NPT與場截止器件的區(qū)別請參考:PT,NPT,F(xiàn)S型IGBT的區(qū)別)。
· 技能:低導通壓降,125℃工作結溫(600V器件為150℃),開關性能優(yōu)化
得益于場截止以及溝槽型元胞,IGBT3的通態(tài)壓降更低,典型的Vce(sat)從第2代的典型的3.4到第3代的2.55V(3300V為例)。
· 名號:T3,E3,L3
IGBT3在中低壓領域基本已經(jīng)被IGBT4取代,但在高壓領域依然占主導地位,比如3300V,4500V,6500V的主流產(chǎn)品仍然在使用IGBT3技術。