功率半导体器件原理及设计课件 ch6 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）25

功率半导体器件Ch6绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)电子工程系2025·春2绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT是由VDMOS派生而来的:将漏极(衬底)n+区改为p+区VDMOS在漏极增加一个PN结IGBT漏极D集电极C；源极S发射极E；而具有MOS结构的栅极G保持不变。简介工作模式：单极双极

由p+集电区向n-漂移区注入空穴,引入电导调制,因此Ron

UCESat,同时由于有少子注入,使其开关速度降低。IGBT要解决的主要问题是：在保证有良好的通态特性提前下,尽量提高开关速度和阻断能力。(+)(-)(+)3IGBT芯片与封装外形

4

§6.1分类与结构特点

§6.2工作原理与I-V特性

§6.3静态与动态特性分析

§6.4电子注入增强效应

§6.5安全工作区与设计考虑

§6.6发展、特点与应用内容提要下节返回主页5按栅极结构分平面栅(Planar-IGBT)沟槽栅(Trench-IGBT)沟槽-平面栅(TP-IGBT)一、IGBT分类按结构类型分横向型(Lateral-IGBT)纵向型(Vertical-IGBT)§6.1分类与结构特点CGE电路符号按耐压结构分非穿通型(Non-Punch-Through)IGBT穿通型(Punch-Through)IGBT场阻止型(theFieldStop)-IGBT超结IGBT(SuperJunction)-IGBT按功能来分普通IGBT逆阻型IGBT(RB-IGBT)逆导型IGBT(RC-IGBT)双向型IGBT(BI-IGBT)按机理来分(是否有IE效应)普通IGBTIE-IGBTIEGT(Toshiba东芝公司)HiGT(Hitachi日立公司)CSTBT(Mitsubishi三菱公司）EP-IGBT(ABB公司）一、IGBT分类6派生器件的电路符号71.穿通型(PT)IGBT①.耐压结构为PT型。当UCE>0时,J2结反偏，承受正向阻断电压；当UCE<0时,J1结反偏,由于缓冲层浓度较高，只能承受很小的反向电压。正、反向阻断能力不对称。缺点：①采用外延片，需要对衬底进行减薄

↓。②为了改善开关速度，需要进行少子寿命控制

↓。特点:采用外延片n-/n/p+(+)(-)(-)(+)沟道沟道外延形成缓冲层，掺杂浓度为1017cm-3J1J2J3二、IGBT的结构特点(一)平面栅(Planar)IGBT②.引入n缓冲层，导致n-漂移区较薄，可获得低的UCEsat。①.耐压结构为NPT型。当UCE>0时,J2结反偏，承受正向阻断电压；当UCE<0时,J1结反偏,由于透明集电极很薄，也只能承受很小的反向电压。正、反向阻断能力不对称。②.为了提高阻断电压，耗尽层WD

Wn-,导致UCEsat

；③.采用透明集电极,不需要控制少子寿命，开关速度快。2.非穿通型(NPT)IGBT缺点：

①采用区熔单晶片，需要对n衬底进行减薄；②UBR与UCEsat之间存在矛盾。特点：采用高阻单晶片

(+)(-)(-)(+)沟道沟道J1J2J3离子注入形成透明集电区,厚度为1~5m，掺杂浓度约1018cm-3893.场阻止型(FS)IGBT①.耐压结构为FS型。当UCE>0时,J2反偏，承受正向阻断电压。当UCE<0时,J1反偏,由于透明集电极很薄,只能承受很小的反向电压。正、反向阻断能力不对称。②.n场阻止层浓度较低，对集电区的空穴注入无阻挡作用，可以同时提高正向UBR,并减小UCEsat；③.采用透明集电极，不需要控制少子寿命，开关速度快。特点：采用高阻单晶片

J1J2J3缺点：①采用区熔单晶片，需对衬底进行减薄。②工艺难度大。(+)(-)(-)(+)沟道沟道离子注入形成场阻止层,掺杂浓度为1015-1016cm-310（二）沟槽栅(Trench)IGBT结构1.沟槽栅NPT型IGBT特点:①.由VUMOS结构派生而来，去掉JFET区使RJ=0,可显著降低Ron或UCEsat

。②.沟道垂直表面，不占表面积，沟道密度增加，电流容量增加。③.采用透明阳极，不需要进行少子寿命控制，可以提高开关速度。沟道沟道(+)(-)(-)(+)缺点：n-漂移区的厚度较大，UCEsat较大11特点:挖掉JFET区①.由VUMOS结构派生而来，去掉JFET区使RJ=0,可显著降低Ron或UCEsat

。②.沟道垂直表面，不占表面积，沟道密度增加，电流容量增加；同时n-漂移区的厚度较薄,UCEsat较低；③.采用透明集电极,不需要进行少子寿命控制，开关速度快。(+)(-)(-)(+)缺点：工艺难度和成本大沟道沟道（二）沟槽栅(Trench)FS-IGBT结构（三）沟槽-平面栅FS-IGBT结构

①.栅极是由平面栅与沟槽栅组合而成的。沟槽位于JFET区中间，两边为平面栅极。②.与Planar-IGBT相比，由于去掉了部分JFET区,在不影响阻断电压的情况下，可降低饱和电压；③.与Trench-IGBT相比，将沟槽栅从源极单元分离出来，沟道不受沟槽的影响，且沟槽较浅，工艺成本降低。具有两者的共同优点。特点:沟道沟道积累积累J1J2J3(+)(-)(-)(+)要求沟槽深度小于p基区结深，宽度小于p基区间距122026/1/27Planar-IGBTNPT型IGBTPT型IGBT基本结构成本最高成本最低NPT型IGBT离子注入衬底离子注入离子注入FS型IGBT较薄较薄较厚高浓度低浓度思考题1：为什么IGBT的p基区与发射极要短路？为什么？离子注入衬底Trench-IGBT寿命控制13141.闩锁效应（Latchupeffect）n+pn-p+

n+pEGCJ1J2J3UGEUCERBRBRB值由p基区的薄层电阻和发射区的长度决定。pnpnpn二.IGBT的寄生效应与等效电路IGBT结构中存在一个寄生的npn晶体管和一个pnp晶体管，在一定条件下，当两者的共基极电流放大系数总和达到1(即

npn+pnp≥1),就会形成正反馈效应，使IGBT的栅极失控,最终因过热而烧毁。这种现象称为闩锁效应。若p基区电阻RB上的压降小于npn管发射结的开启电压,则可避免寄生的npn晶体管开通，从而消除闩锁发生。请记录寄生的pnpn

晶闸管ip

ib2ic2=

2ip

ib1ic1=

1ib1=

1

2ip

ib2寄生晶闸管导通后，即使IGBT栅-射极电压为零(即in=0)，仅依靠正反馈，寄生晶闸管仍维持导通。此时IGBT栅极失控,电流越来越大，最终烧毁。

当UCE>0、UR>UE

时,

寄生npn管导通→pnp管导通→npn管进一步导通→形成正反馈→寄生晶闸管迅速导通。寄生晶闸管的导通过程：

ß2ipß1ß2ipT1T2CEnpnpnpic1ic2ipRBib1ib2实际应用中一定要防止IGBT发生闩锁1516若RB很小,UR<0.6Vnpn晶体管不会导通，则IGBT不会发生闩锁，于是IGBT等效电路可简化成pnp晶体管/MOSFET模型等效电路：IGBTMOSFET控制的双极晶体管

GECpnpnpnRBICIPIEInRDUR<0.6VGECICIPIEInpnp一、工作原理1.当UCE>0时,器件正向工作：以平面栅NPT-IGBT为例无沟道无沟道IC≈0UGE≤0时①阻断：若UGE

0，栅极下方的p基区表面不会形成反型;因UCE>0，由反偏J2结来承担外加正向电压UCE

IGBT处于正向阻断状态,只有微小的漏电流；若UCE>UBR，IGBT会发生雪崩击穿，其中的电流会急剧增加。§6.2工作原理与I-V特性UGEUGEUCE>0时UCER17沟道沟道UGE>UT时UCE>0时②开通：若UGE>UT，栅极下方的p基区表面反型形成导电沟道,n+发射区的电子经沟道进入n-漂移区,使J1结更正偏，于是p+集电区向n-漂移区注入空穴：一部分与MOS沟道过来的电子复合形成电子电流；另一部分被反偏J2结扫入p基区，然后并被发射极收集，形成空穴电流，IGBT进入正向导通状态。UGEUGEUCEUGE

Rch

In

IpIC

R1819③通态（饱和导通）：当UGE较低时,增大UCE，沟道末端的电位升高。当UCE增加到UCEsat时,与功率MOS相同,IGBT的沟道末端也会夹断，有效沟道长度变短，沟道区电场增大,沟道电子的漂移速度达到饱和，In达到饱和，IC也呈饱和特性，于是IGBT处于饱和导通状态。IC=C保持UGE>UT当UCE

时UGEUGEUCE沟道沟道UCE

Ech=Ecr

n=sat

In=IsatIC=ICsat

RUGE>>UT沟道沟道UGEUGEUCE保持UCE>0时④通态（非饱和导通）：若保持UCE>0不变,

UGE增加时,由沟道注入到n-漂移区的电子数目增加,导致p+集电区注入的空穴数目也增加，当

p(x)>>ND时，达到大注入状态，于是n-漂移区会发生电导调制效应使UCEsat减小,IC不再饱和，而是迅速上升。此时IGBT类似于pin二极管的导通，处于非饱和导通状态。UGE

In

Ip

p(x)IC

R21⑤关断：若使G、E短路(UGE

0)，栅电容放电，沟道消失，切断了n-漂移区电子的来源(In=0),即pnp晶体管基极电流为零

于是IGBT开始关断。由于正向导通期间，n-漂移区注入了少子，所以关断不能突然完成，需经历一个少子复合消失的过程之后，IGBT恢复到正向阻断状态，由反偏J2结来承担外加正向电压UCE。无沟道沟道消失IC≈0令UGE=0保持UCE>0UGEUGEUCER22可见，NPT-IGBT具有正向阻断特性、导通特性和反向阻断特性。UGE≤0时UCE<0时2.当UCE<0时（反向工作）UGEUGE当UCE<0时，J2结正偏、J1结反偏，由反偏的J1结来承担外加的反向电压

IGBT处于反向阻断状态，其中只有微小的漏电流。由于J1结两侧浓度较高，故反向阻断电压较低。UCERIC≈0231.当UCE>0时，IGBT正向工作：①正向阻断：若UGE<0时，栅极下方的p基区表面不会形成沟道，无电流流过;因UCE>0,J1结正偏，由反偏J2结来承担外加的正向电压UCE

IGBT处于正向阻断状态，其中只有微小的漏电流。当UCE大于J2结雪崩击穿电压UBR时,IGBT集-射极间J2结发生击穿,IC急剧增加。请记录IGBT的工作原理②开通：若UGE>UT，栅极下方的p基区表面会形成导电沟道,n+发射区的电子经沟道进入n-漂移区,使J1结更加正偏，于是p+集电区向n-漂移区注入空穴:一部分空穴与MOS沟道来的电子复合，形成电子电流；另一部分空穴被反偏J2结扫入p基区被发射极收集，形成空穴电流

IGBT处于开通状态，并且IC=In+Ip。此时,UGE

Rch

InIC

。24④通态(非饱和导通)：当UGE较高(>>UT)时，经沟道注入到n-漂移区的电子数目增加，导致从p+集电区注入的空穴数目也增加。当

p=

n>>ND时,达到大注入状态,于是n-漂移区发生电导调制效应，Ron下降,UCEsat减小。此时IGBT类似pin二极管导通,IC会急剧增大。③通态(饱和导通)：当UGE(>UT)较低时,

随着UCE增加，沟道末端电位升高。若UCE增加到UCEsat，IGBT与功率MOSFET相同，沟道末端也会夹断，有效沟道长度变短，沟道区电场增强，电子漂移速度达到饱和漂移速度，IC呈饱和特性。⑤关断：若UGE

0(即G、E短路)，栅电容放电，导电沟道消失，电子电流变为零(In=0)

IGBT开始了关断过程。由于导通期间n-漂移区中注入了大量的少子，所以关断要经历一个少子复合消失的过程后，才能恢复到正向阻断状态，并由反偏的J2结来承担外加正向电压UCE。252.IGBT反向工作：当UCE<0时,由于J1结反偏，承担外加的反向电压UCE

IGBT处于反向阻断状态，其中只有微小的漏电流。保持UGE>UT不变，当

UCE

Ech

（Ecr）

n

（

nsat）

In

（Insat）

Ip

（Ipsat）

IC饱和（ICsat

）；

UCE调制：沟道区载流子的漂移速度。2.当UCE较小，UGE

n

In

Ip

p(x)IC

并呈非饱和特性；

UGE调制：漂移区载流子的浓度。IGBT调制机理：可见，调节UGE和UCE的大小,均可控制IC大小

压控器件26UCEOUGE↑IC二、I-V特性曲线1.当UCE>0时，器件处于正向工作状态（第一象限）:若UGE<UT时，器件处于正向阻断区(断态)；由J2结承担正向阻断电压；若UGE>UT时，器件处于线性区，电流呈饱和状态（类似功率MOSFET）；若UGE>>UT时，器件处于饱和区(通态)，电流呈非饱和状态（类似BJT）。2.当UCE<0时,器件处于反向工作状态（第二象限）:

由J1结承担反向阻断电压（类似二极管）

。正向导通反向阻断正向阻断类似于功率MOSFET类似于功率晶体管或二极管类似于功率晶体管或二极管饱和区击穿区线性区思考题2：为什么IGBT的反向击穿电压较低？27状态偏

置

条件特征正向阻断栅-射极电压UGE≤0,0<UCE<UBR(J2)时截止；当UCE>UBR(J2)时发生雪崩击穿截止区，漏电流小；J2结雪崩击穿后电流急增开通栅-射极正向电压大于阈值电压

(即UGE>UT)集-射极加正向电压（即UCE>0）沟道形成,电子电流驱动空穴电流形成通态栅-射极正向电压大于阈值电压(即UGE>UT)集-射极加正向电压较高

(即UCE>>0)

沟道夹断，电流饱和线性区栅-射极电压远大于阈值电压(即UGE>>UT)集-射极加正向电压较低

(即UCE>0)

电流非饱和，电导调制效应，饱和区关断栅-射极加反向电压（即UGE0）集-射极加正向电压（即UCE>0）沟道消失，按pnp晶体管关断，少子复合反向阻断栅-射极电压UGE≤0,UCE<0处于截止；当|UCE|>UBR(J1)发生雪崩击穿截止漏电流小；J1结雪崩击穿后电流急增IGBT偏置条件、工作区与状态特征28n-p+n+PCEG根据pnp晶体管/MOSFET模型若流过MOS沟道的电子电流为In,流过pnp集电区的空穴电流为Ip,则流过IGBT的集电极电流为：对于pnp晶体管，集电极电流Ip与基极电流In之间关系如下：ICMOSFETpnpIn四.I-V特性分析(+)(+)(-)Ip29根据功率MOSFET饱和区的I-V特性方程：随UG增大，IGBT由放大区逐渐进入饱和区，即由功率MOSFET的电流饱和区转入功率双极晶体管的深饱和区，其集电极电流IC将随UGE增加而增大，不再呈现饱和特性。——IGBT的I-U特性表达式将上式代入(3)式,可得到IGBT的饱和集电极电流为：理想情况当IGBT与功率MOSFET的Z/L相同，且pnp=0.5时，则IGBT的饱和电流是功率MOSFET的2倍。30实际上，工作在放大区时，IGBT的IC随UCE增加而缓慢增加，输出曲线向上倾斜,并且NPT-IGBT的I-U曲线上翘更比PT-IGBT严重。IC0UCEUGE>UT理论曲线实际曲线原因：①有效沟道长度调变效应(与功率MOSFET相似)；②pnp晶体管的

pnp随UCE的变化。(原因1、2)(原因1）31UCEUGECEGn-p+subn+pn①.有效沟道长度调变效应（与功率MOSFET相似）在较小UGE下，当UCE=UCESat时，沟道末端夹断;(当UCE>UCESat)考虑沟道长度调变效应后,随着UCE继续增加，夹断点向发射极移动，导致沟道的有效长度减小，即沟道电阻减小;但夹断点电位保持在UCESat。故在给定UGE下,UCE

In

IC

，因而I-U特性曲线向上倾斜。L

L32pnp晶体管的

pnp分析：对PT-IGBT：WL

Wn不随UCE变化，

pnp不变。所以,PT-IGBT的线性区的I-V曲线向上倾斜程度较小。可见，IC依赖于

pnp(WL)变化。随UCE增加,

pnp增加,IC增加。所以,NPT-IGBT线性区的I-V曲线上翘严重。对NPT-IGBT：当UCE很小时，n-漂移区耗尽层展宽WD较小，中性区宽度WL较大,pnp较小，IC较小；当UCEn-漂移区耗尽层的展宽WD

WL

pnpIC

；（对于NPT结构）（对于PT结构）相比较而言，PT-IGBT中Wn较小，通过控制少子寿命，Ln也较低，但由于其集电极注入效率

高,所以，PT-IGBT的

pnp值要比NPT-IGBT的

pnp值大。331.跨导：表示栅极电压控制集电极电流的能力。定义：在一定的集-射极电压UCE下，栅-射极电压UGE变化引起集电极电流IC的变化。五.特性参数根据IC～f(UCE,UGE)是功率MOSFET的1/(1-

pnp)倍提高gm的措施：①.提高Z/L

gm

；tox

Cox

gm

；

pnp

gm

②.当IGBT与功率MOSFET的Z/L相同，且pnp=0.5时，则IGBT的跨导是功率MOSFET的2倍。2.阈值电压：与功率MOSFET基本相同346.最大集电极电流ICmax：指在额定温度下,IGBT所允许的集电极最大直流电流IC和脉宽为1ms时的最大脉冲电流ICP，决定了IGBT的电流定额。7.闩锁电流ILS

：在正常工作温度下，IGBT发生闩锁时所对应的最大集电极电流。正常工作时,通过IGBT的集电极电流IC应小于ILS。3.栅-射极击穿电压BVGE：栅氧化层的击穿电压,决定了G、E间能承受的最高电压。5.集-射极饱和电压UCEsat：指在规定栅-射极电压和集电极电流条件下，IGBT饱和导通时的最大集-射极电压。4.最大集-射极电压UCES：由IGBT内部的pnp晶体管所能承受的电压决定。UCES决定了IGBT的电压定额。8.最大集电极功耗Pcmax：在正常工作温度下，允许的最大耗散功率，由最高允许结温决定。35根据IGBT的原理分析可知，导通时IGBT类似于pin二极管。一、通态特性§6.3静态与动态特性分析N-P+N+PCEG(+)(+)(-)导通状态下可等效为pin二极管/MOSFET的串联模型GECInICICIEUGPINMOSFET假设集电极电流完全通过了沟道,实际上通过沟道的电流仅为电子电流。wcell

/2361.UCEsat与pnp有关，即与WL有关；

采用NPT结构

pnp较小UCEsat较大；采用PT结构

pnp较大UCEsat较小；IGBT饱和电压分析：4.UCEsat与UGE有关:UGE较小时,UMOS

UCEsat

当UGE较大时,UMOS

，Upin

UIGBT

2.UCEsat与少子寿命有关：

P

La

pnp

Upin

(与关断特性矛盾)3.UCEsat与Z/L有关：

Z/LUMOS

UCEsat

UMOS中加pnp来进行修正UCEICUG<UTUG>UTUG>>UTOUTO37反向阻断特性(NPT-IGBT)：当UCE<0时，J1结反偏，IGBT具有反向阻断能力，其反向阻断电压主要J1结击穿电压有关。二、阻断特性正向阻断特性：当栅-射极间短路(即UGE=0)且UCE>0时，栅极下面无法形成导电沟道，J2结反偏，IGBT具有正向阻断能力，其正向阻断电压受pnp晶体管放大系数pnp的影响。n+pn-subp+

n+pEEGCJ2J1由于NPT-IGBT的集电区厚度较薄,故其反向击穿电压很低。(-)(-)(+)(+)(+)(-)由于PT-IGBT的缓冲层浓度较高,故其反向击穿电压也很低。PT(PunchThrough)NPT(Non-PunchThrough)FS(FieldStop)少子寿命控制需要减薄工艺正反向阻断状态下的电场分布正向阻断电压与n-漂移区、p基区、元胞间距及表面击穿等有关；正反向阻断能力不对称三角形分布类梯形分布反向阻断电压与p+集电区、n-漂移区或n缓冲层/FS层掺杂等有关。类梯形分布39icttuceooUCEsatouGttoUCEsatuce阻性负载感性负载uTton90%ICO1.开通过程当UG>UT时,MOS管导通，形成电子电流In,驱动pnp晶体管很快导通,形成空穴电流Ip,IGBT的电流由两部分组成，即IC=In+Ip；三、开关特性由于少子在宽基区的pnp晶体管中渡越需要时间，基区预建立与稳态相对应的少子数也需要时间

IC有一个缓慢的上升过程。Ip开通过程分两部分：①tr1:沟道电流的形成过程；②tr2:少子在n-漂移区渡越过程。危机点In2026/1/2740

uICD

Ic

Intoff10%ICO2.关断过程当UGE撤掉(UGE=0)时,导电沟道消失，IC由ICO下降到ICD，

IC约为电子电流In(IC

In)。关断过程分两部分：①tf1:沟道电流消失过程；②tf2:少子复合拖尾过程。沟道消失后，因为Ip并未突然停止，IC继续存在，由注入到n-漂移区的少子来维持。随着复合继续进行，少子数减少，直到IC衰减为0。危机点uGUFictttuceuceoooto

阻性负载

感性负载ICO413.开关时间t0IC关断过程电流变化toffInICO10%ICOICDtotonIC90%IC开通过程电流变化开通时少子渡越时间很短

开通时间很短。关断时少子的复合速度较慢

关断时间较长。

Ptoff

(与导通特性矛盾)

P

pnpICD

toff

关断期间普通集电区与透明集电区的电荷抽取情况普通集电区（tc>>Ln）透明集电区（tc<<Ln）透明集电区的特性：在小电流下，pn结发射效率很高，有利于提高开通速度；在大电流下，pn结发射效率较低，有利于提高关断速度。少子在Ln范围内复合消失完电子直接穿透集电区，在电极处复合消失完。透明集电区：浅而弱的掺杂区,因电子穿透集电区就像集电区被短路一样,称为透明集电区；或者集电区对于电子是透明的。Ln42空穴注入效率

p和电子注入效率

n随JC的变化IGBT开通时,

p高,

n低,

p>>

n,有助于IGBT快速开通；IGBT关断时,

p降低,

n提高,

p≈

n,有助于IGBT快速关断。空穴注入效率

p电子注入效率

n电流密度JC普通集电区普通集电区透明集电区1.00.50

p≈1

n≈0

p

1

n

0

p+

n≈1

p

n43课前小测验试题（一）1.普通IGBT常用的耐压结构有A.1种B.2种

C.3种

D.4种

3.增大IGBT的栅极电压可以调制的参数是A.沟道电阻B.漂移区电阻C.沟道载流子的漂移速度D.A、CE.A、B

F.A、B、C

4.IGBT的集电极侧pnp晶体管的电流放大系数

pnp会影响其哪些特性参数？A.正向阻断电压

B.导通饱和电压

C.关断时间

D.跨导E.A、B、C

F.A、B、C、D

2.IGBT发射区和p基区是短路的目的是A.防止闩锁效应

B.防止寄生的npn导通

C.简化工艺

4445闩锁模式I-U特性负阻现象在IGBT导通时，空穴电流在横向电阻RB产生压降用UR来表示。

pB—p基区薄层电阻；LE—n+发射区长度；WP—p基区厚度；Z—沟道宽度。RB值由p基区

pB和发射区LE决定。四、闩锁特性EGCn-p+pn+（+）（-）（+）RBIp46(2)

pRBILS

NA

UT(不利)(3)

P

PNPILS

toff

（有利）(1)LERBILS

元胞数目IC

但LE受光刻容差的限制latch-up发生的条件：

IGBT正常工作时，IC<ILS。温度升高,ILS减小。实际应用中要严格限制IGBT的工作温度(-55～125℃)

p及pnp均与T有关,TP

pnpILS

p

p

RBILS

闩锁电流ILS：指IGBT发生闩锁时的最大集电极电流。47EGC（+）n-p+（+）（-）n+p+RBLE2LE1IhGECn-p+n+p+(+)(-)(+)A.从结构上，可采用小元胞、深或浅P+基区及少子旁路结构；①采用深p+阱区扩散②采用浅p+区扩散提高ILS的方法：P+IhRB48③少子旁路结构目的：增加空穴电流的通道(旁路),使空穴电流分流Ip

缺点：旁路部分无沟道形成使MOSFET的沟道密度I（+）（+）（-）n-p+RBn+p+n+p+CGE旁路电流Ip2InIp1旁路沟道49④.提高沟道区的掺杂浓度同时采用薄栅极氧化层保持UT不变，将tox减小一半则NAP增加4倍，p基区的浓度PRB

ILS

（约２倍）但tox减小受氧化层质量限制。tox0JLS(A/cm2)500Å

1000Å

1000500⑤.减小少子寿命B.从工艺上，采用减薄栅氧tox或减小少子寿命p。50五、高温特性温度对IGBT特性参数的影响主要体现在以下几个方面：1.对阈值电压的影响

温度升高，阈值电压下降（

Tni

,kT/q

UOX

UT

）2.对跨导的影响温度升高，跨导下降（Tns

gm

）3.对闩锁电流的影响温度升高，闩锁电流下降4.对饱和电压的影响

既有正温度系数，也有负温度系数；

5.对阻断电压和漏电BR流的影响

正向阻断电压U随温度升高先增加而后减小；6.对开关时间的影响

少子导电，温度升高，关断时间变长；TP

pnpILS

p

p

RBILS

51UF(V)0JF

25℃125℃TTIGBT工作时可以等效为：pin(pnp)与MOSFET的组合；PIN(PNP)属于双极型器件，即：T

Ron

JF

；在一定温度T下，MOSFET属于单极型器件，即T

Ron

JF

；在某一电流密度下,当pin(或pnp)与MOSFET的作用正好相反时，IGBT饱和电压与温度无关(零温度系数点,ZTC)1.温度对饱和电压的影响NPT：T

Ron

可并联使用,实现大功率。PT：T

Ron

不能并联使用，适合高频、快速的应用场合。Ron正温度系数Ron负温度系数ZTC点UCEsat与T无关NPT-IGBTPT-IGBT2.温度对阻断电压的影响IGBT的正向阻断电压UBF主要取决于J2结的雪崩击穿电压与pnp晶体管的电流放大倍数

pnp。正向阻断电压：①T↑→l

→EA

→Ecr

(p-n)↑→UBO↑→UBF↑②T↑→ni↑、

P↑→ICO↑→

pnp↑→UBF

正向阻断电压UBR随温度升高先增加而后减小。由于PT-IGBT结构

pnp比NPT-IGBT结构

pnp大,故UBF受温度的影响更大。反向阻断电压UBR主要取决于J1结的雪崩击穿电压，随温度升高而增加。533.温度对关断时间的影响IGBT关断时间主要取决于集电极电流的拖尾电流。温度升高，关断特性变差。复合速度tr

pnp

toff

TP

t0IC(A)T=25℃trInICDt0IC(A)T=125℃trInICD器件

名称导通机理与特性开关机理与特性

可靠性功率双极晶体管双极模式，基区、集电区都有电导调制；UCESat低少子复合、从基区抽取；关断速度慢防二次击穿功率MOSFET单极模式，n漂移区无电导调制；Ron大无少子关断速度快防npn晶体管导通IGBT双极模式，n漂移区有电导调制；UCESat低少子复合、从两侧抽取；关断速度较快防闩锁效应三种功率晶体管的正向工作对比

54NPT-IGBT5556§6.4电子注入增强效应通过结构改进，在IGBT中引入电子注入增强(InjectionEnhanced，IE)效应，即增加发射极侧的电子注入，同时限制集电极侧的空穴注入，从而改善器件通态和关断特性之间矛盾，达到降低总损耗的目的。问题：当IGBT阻断电压较高时，通态损耗和关断损耗会增加,使阻断、通态及开关特性这三者之间的矛盾加剧。对高压IGBT而言，在保证阻断电压的前提下，如何解决饱和电压与开关速度之间的矛盾，从而获得较低的导通损耗和开关损耗?57一、注入增强型IGBT的结构分类1.IEGT(Toshiba东芝公司)3.HiGT(Hitachi日立公司)2.CSTBT(Mitsubishi三菱公司）载流子存储层4.EP-IGBT(ABB公司）平面栅EP-IGBT（CarrierStoredTrench-gateBipolarTransistor）（InjectionEnhancementGateTransistor）（High-conductivityIGBT）（Enhanced-PlanarIGBT）平面栅HiGT宽栅极虚拟元胞沟槽栅结构空穴势垒层载流子增强层平面栅IEGT沟槽栅IEGT统一为IE辅助层沟道沟道沟道沟道（-）（-）（+）（+）（+）空穴电子电子1.沟槽栅IEGT（T-IEGT）在Trench-IGBT中增加虚拟元胞59(a)Planarwithn-layer(b)Trenchwithn-layeranddummycellsn型载流子增强层n型载流子存储层虚拟元胞n载流子存储层浓度高于n-漂移区，使于p基区与n层间的内电势差增加（约0.2V）。该内电势相当于一个空穴势垒，阻止集电区注入到n-区的空穴顺利通过，使其在n层存储，产生IE效应。电子电子电子电子增加IE辅助层+虚拟元胞2.EP-IGBT与CSTBT60IE效应的特点与作用：由于n-漂移区充满大量的非平衡载流子，受到强烈的电导调制，其分布更接近导通的pin二极管，于是饱和电压降低，但注入到n-区的空穴数并未增加。可见，IE效应增加了发射极侧的载流子积累，同时控制了集电极侧的少数载流子浓度，有效地控制了拖尾电流，从而解决了因耐压提高、关断特性与通态压降之间的矛盾。在IGBT处于正向导通状态时,n+发射区通过沟道向n-漂移区注入电子，由于存在虚拟元胞,或存在载流子辅助层(如存储层、增强层)等，使从p+集电区注入到n-漂移区的空穴在栅极下面的n-漂移区或p基区下方的n辅助层形成堆积；为了保持n-漂移区的电中性，迫使n+发射区相n-漂移区注入更多的电子，这种现象称为电子注入增强(Injection

Enhanced)效应。请记录二.电子注入增强(IE)效应：三、注入增强型IGBT模型与等效电路等效电路导通时等效电路IE-IGBT导通时MOSFET与pin串联，与普通的IGBT相同。与IGBT的区别在于，n-漂移区的电导调制效应加强，载流子浓度分布更接近二极管，故UCEsat更低。IE-IGBTIGBT6162§6.5

安全工作区与设计考虑一.IGBT安全工作区（SOA）IGBT安全工作区(包括正偏SOA和反偏SOA及短路SOA)IGBT的FBSOA介于功率MOS和功率BJT之间IGBT的RBSOA接近矩形ICmax由闩锁电流ILS确定；PCmax由最高允许结温决定；UCEmax由IGBT集电极侧pnp晶体管的击穿电压决定。正偏SOA(FBSOA)IC

ICmaxUCEmaxPCmaxUCE(V)0UBR

反偏SOA(RBSOA)IC

ICmaxUCEmaxPCmaxUCE(V)0UBR

duCE/dt

63短路安全工作区（SCSOA）tSC≤10

s

SCSOA是指IGBT在负载短路和短路持续时间条件下由短路电流与集-射极电压构成的、器件能再次开关而不失效的区域。

短路SOA(SCSOA)Isc/Ic=10

IGBT发生短路时,电流激增，温升增大,超过tsc,会发生热奔。642.闩锁效应：IGBT特有的失效模式。1.静电放电：MOS栅失效，与功率MOSFET相同。二.失效模式分类：1)静态闩锁效应—IGBT导通时产生的(低压大电流)ILS2)动态闩锁效应—IGBT关断时产生的(高压小电流)ILSd静态闩锁效应：在IGBT导通过程中，当空穴电流Ip在npn晶体管p基区电阻RB上产生的压降大于其发射极的开启电压(0.6V)，诱发寄生的晶闸管开通，导致IGBT发生的闩锁。n+pn-p+

n+pEGCJ1J2J3RBRBIpInR65动态闩锁效应:在IGBT的关断过程中,由于集电极电压迅速上升,引起很大的位移电流(iB=CJ2du/dt)，使寄生的晶闸管导通所诱发的闩锁。尤其是感性负载时,开关电路突然关断更易引起闩锁效应。解决措施：在关断电路中串联大阻抗，使电流降低的速度放慢dic/dt

duCE/dt

，从而抑制动态闩锁效应。诱发闩锁的其他因素：1.温升导致ILS下降,导致闩锁发生;2.发生动态雪崩时，雪崩电流流过RB引发的闩锁；3.发生短路时，短路电流很大，流过RB导致闩锁发生;4.当光照或其他辐射(如射线)照于硅片表面时,会感生电流;若电流很大，也会引起闩锁效应。n+pn-p+

n+pEGCJ1J2J3UCERRBRBiB=CJ2duCE/dt661.衬底材料：选择导电类型、晶向外延片n-/n/p+/,n型区熔单晶<100>,N沟IGBT，互补用P沟IGBT三.设计考虑2.电压容量设计（耐压结构）：①UBR<1.2kV，可选用PT结构②3.3kV≤UBR<4.5kV，可选用NPT结构③UBR>4.5kV，可选用FS结构(实际600V~6.5kV都可选用)体内耐压：在满足耐压的前提下，需考虑阻断特性与通态特性及关断特性之间的折衷；即考虑n-漂移区、p基区、n缓冲层、透明集电区的浓度及厚度，元胞间距等结构参数，以及少子寿命和pnp晶体管的电流放大倍数。终端耐压：IGBT的终端结构与功率MOS完全相同(平面终端)。IGBT耐压结构与正向阻断电压下的电场强度分布a)NPT结构b)PT结构击穿定压击穿定压功率器件PT型NPT型FS型功率二极管Enn+=1/4Ecr类梯形电场分布Wn=WD中性区WL=0Enn+=0实际为临界穿通三角形电场分布/功率双极晶体管功率MOSFETIGBTEnn+=1/4~1/2Ecr梯形电场分布Wn=WD+WL中性区WL=LP实际为非穿通三角形电场分布Enn+=1/4~1/2Ecr类梯形电场分布功率器件几种耐压结构设计对比

694.可靠性(防闩锁)设计考虑：采用发射区与p基区短路、沟槽栅、p基区(增加深p+阱区、浅p+区)、MSS结构等措施，防止闩锁发生。表面短路(MSS)结构3.电流容量设计(横向结构)：①元胞设计：考虑正向导通特性和闩锁电流密度。采用圆形、方形和条形元胞；采用发射区多重表面短路(MSS)结构。②沟道密度的设计：采用垂直沟道，比如沟槽栅结构；③降低导通电阻：采用沟槽栅PT-IGBT或FS-IGBT结构。返回主页课前小测验试题（二）1.在IGBT结构中引入IE的目的主要是：A.降低UCEast