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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)點就是用電壓控制,飽和壓降小,耐壓高。可以用在電壓幾十到幾百伏量級、電流幾十到幾百安量級的強電上??稍谠缙贗GBT可不是這么“強大”的,接下來和金譽半導(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),其特點是通過強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。在那個時候,硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT(非穿通)型設(shè)計。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,這是隨著硅片上外延的技術(shù)進步,以及采用對應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計的n+緩沖層而進展的。幾年當(dāng)中,這種在采用PT設(shè)計的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu),其設(shè)計規(guī)則從5微米先進到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,實現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時間之間折衷的更重要的改進。
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)載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面,非穿通(NPT)技術(shù)則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率,不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進而言之,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模塊得以實現(xiàn),它采用了弱穿通(LPT)芯片結(jié)構(gòu),又采用了更先進的寬元胞間距的設(shè)計。目前,包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反向?qū)ㄐ?/span>”(逆導(dǎo)型)功能的IGBT器件的新概念正在進行研究,以求得進一步優(yōu)化。
IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動,各種驅(qū)動保護電路,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。
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,整機的可靠性更高及體積更小。