IGBT的发展史及测试

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2023-02-21 09:45:04 626

绝缘栅双极晶体管（IGBT）于20世纪80年代初发明、开发并商业化。器件结构（图4左侧）可以设计为在*象限和第三象限（对称IGBT）的结J1和J2处阻断电压，或者仅在*象限（不对称IGBT）阻断电压。IGBT通过使用正栅极偏置创建MOS沟道来工作，该偏置将基极驱动电流输送到内部宽基极P-N-P双极晶体管。在同一漂移区内，通过沟道使用电子和通过P-N-P晶体管使用空穴产生集电极电流，称为MOS双极电流传输。该器件可以通过将栅极电压降低到零来关闭电子供应。

由于采用了宽基极P-N-P晶体管，而不是当时用于功率晶体管的窄基极N-P-N晶体管，因此所提出的IGBT设计是一个具有革命性的改变。怀疑论者认为，这将严重限制电流，使该器件不如功率双极晶体管。我的分析基于N基区（N漂移区）内的高电平注入，预测了即使在高电流密度下也具有低导通状态压降的P-i-N整流器式导通状态特性。幸运的是，在制造和测试实际设备时，这种分析被证明是正确的。

IGBT的一个主要障碍是内部4层晶闸管的潜在闭锁，这可能会导致破坏性故障。使用添加到基本双扩散MOSFET工艺中的深P+区域（图4左图）能够解决这个问题。当时人们认为IGBT仅适用于低工作频率，因此限制了其应用，因为当时控制少数载流子寿命的方法会损坏MOS栅极结构。幸运的是，我发现了一种工艺，该工艺允许使用高能电子辐照来缩短漂移区的寿命，然后进行低温退火工艺，以去除栅极氧化物中的损坏。这对于创建能够在大范围的交换速度下运行的IGBT至关重要（BaligaIEEE EDL，1983），从而在GE内部开辟了广泛的应用领域。

根据我在1980年11月的演讲，我预测了IGBT在通用电气公司电机驱动、照明、电器和医疗部门的广泛影响，董事长杰克·韦尔奇（Jack Welch）批准全力支持我的IGBT开发和商业化。基于这种支持，我能够在不到10个月的时间内直接在功率MOSFET生产线上设计和制造IGBT。由于公司的严格审查，这必须在芯片设计和工艺定义过程中毫无瑕疵地完成，以确保*实验成功。这是使IGBT大量用于GE制造*台热泵用可调速电机驱动器和新型灯具的关键一步，这些灯具是20世纪90年代商业化的紧凑型荧光灯的先驱。由于IGBT对通用电气应用的价值，杰克·韦尔奇禁止发布任何有关IGBT的信息。1983年6月，半导体产品部宣布推出IGBT产品D94F4，最终打破了这一禁令。通用电气公司推动了该产品的应用，并获得了“年度产品”奖。从1983年到1985年，通用电气发布了我关于IGBT属性的文章，从1985年开始，日本的许多公司（东芝、三菱电机、富士电机）开发并推出了此类产品。

20世纪90年代，欧洲（ABB、西门子）也进行了IGBT创新。P+发射极区区域被晶圆底部具有低掺杂浓度的薄P扩散代替，以降低注入效率。研究发现，这可以减少替换电力机车驱动应用中的栅极关断（GTO）晶闸管所需的极高电压（>4kV）器件的开关损耗。这项技术在欧洲和日本得到迅速优化，广泛应用于城市和长途公共交通。

通过采用沟槽栅极结构，改善了IGBT的导通状态、压降和开关速度之间的平衡。沟槽栅极设计（图4右侧）增加了沟道密度，为内部双极晶体管提供了更多的驱动电流，以减少导通电压降。另一个被证明可以提高高压IGBT器件性能的设计创新是具有窄P基极区域的深沟槽结构（图5）。这种方法增强了漂移区的电导率调制，从而产生较低的导通状态电压降。

在过去40年中，IGBT在各种应用中变得非常*，它被广泛应用于各个领域，例如交通、照明、消费者、工业、医疗等，以提高全*数十亿人的生活质量。1990-2020年，汽油动力汽车和卡车使用IGBT的电子点火系统的创建使汽油消耗量减少了1.8万亿加仑。1990-2020年间，使用IGBT的可调速电机驱动器的开发使电力消耗量减少73000太瓦时。使用IGBT电子镇流器的200亿盏紧凑型荧光灯的部署在1990年至2020年期间减少了5.99万太瓦时的电力消耗。IGBT的这些应用为消费者节省了33.6万亿美元，同时在1990年到2020年间减少了181万亿英镑的二氧化碳排放，以缓解全球变暖。

所有太阳能和风力发电都依赖于使用IGBT将能量转换为可输送到电网的稳定的50或60 Hz交流电。此外，IGBT用于驱动所有电动汽车中的电机的逆变器。因此，它将在消除发电和运输部门的化石燃料以应对气候变化方面发挥重要作用。

IGBT失效场合：来自系统内部，如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变都会引起过电压和过电流；来自系统外部，如电网波动、电力线感应、浪涌等。归根结底，IGBT失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。

IGBT失效机理：IGBT由于上述原因发生短路，将产生很大的瞬态电流——在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在，将导致IGBT集电极过电压，而在器件内部产生擎住效应，使IGBT锁定失效。同时，较高的过电压会使IGBT击穿。IGBT由于上述原因进入放大区，使管子开关损耗增大。

IGBT传统防失效机理：尽量减少主电路的布线电感量和电容量，以此来减小关断过电压；在集电极和发射极之间，放置续流二极管，并接RC电路和RCD电路等；在栅极，根据电路容量合理选择串接阻抗，并接稳压二极管防止栅极过电压。

分立器件动态参数测试系统，是针对MOSFET与IGBT分立器件的动态参数如开关特性、栅极电荷、短路特性、二极管的反向恢复特性、结电容等专门设计的一套全自动测试系统，额定测试电流不超过200A，测试电压不超过1200V。

该测试系统具有如下特点：

该测试系统是一套集常规动态参数为一体的综合测试系统；

该测试系统完全采用自动控制，测试可按测试员设定的程序进行动测试；

该系统采用计算机记录测试结果，并可将测试结果转化为EXCEL文件进行处理。

测试治具更换简易、测试效率高。

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