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IGBT芯片简史(一)

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:620

话说公元2018年,IGBT江湖惊现第六代和第七代的[敏感词],一时风头无两,各路吃瓜群众纷纷猜测二位英雄的出身来历。不禁有好事者梳理了一下英家这些年,独领风骚的数代当家[敏感词],分别是:


   


呃,好像分不清这都谁是谁?


   

呃,虽然这些IGBT“[敏感词]”表面看起来都一样,但都是闷骚型的。只能脱了衣服,做个“芯”脏手术。。。


像这样,在芯片上,横着切一刀看看。


   


好像,有点不一样了。。。


故事,就从这儿说起吧。。。


   


史前时代-PT


   


PT是最初代的IGBT,它使用重掺杂的P+衬底作为起始层,在此之上依次生长N+ buffer,N- base外延,最后在外延层表面形成元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个N-base区而得名。它工艺复杂,成本高,而且需要载流子寿命控制,饱和压降呈负温度系数,不利于并联,虽然在上世纪80年代一度呼风唤雨,但在80年代后期逐渐被NPT取代,目前已归隐江湖,不问世事,英飞凌目前所有的IGBT产品均不使用PT技术。


初代盟主-IGBT2


   


特征:

平面栅,非穿通结构(NPT)


NPT-IGBT于1987年出山,很快在90年代成为江湖霸主。NPT与PT不同在于,它使用低掺杂的N-衬底作为起始层,先在N-漂移区的正面做成MOS结构,然后用研磨减薄工艺从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+ collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区,因此称为“非穿通”型IGBT。NPT不需要载流子寿命控制,但它的缺点在于,如果需要更高的电压阻断能力,势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层,这意味着饱和导通电压Vce(sat)也会随之上升,从而大幅增加器件的损耗与温升。


技能:

低饱和压降,正温度系数,

125℃工作结温,高鲁棒性


因为N-漂移区厚度大大降低了,因此Vce(sat)相比PT大大减少。正温度系数,利于并联。


名号:

DLC,KF2C,S4…


等等,好像混进了什么奇怪的东西!


没写错!S4真的不是IGBT4,它是根正苗红的IGBT2,适用于高频开关应用,硬开关工作频率可达40kHz。这一明星产品,至今销路仍然不错。


性能飞跃-IGBT3


   


特征:

沟槽栅,场截止(Field Stop)


IGBT3的出现,又在IGBT江湖上掀起了一场巨大的变革。IGBT3的元胞结构从平面型变成了沟槽型。沟槽型IGBT中,电子沟道垂直于硅片表面,消除了JFET结构,增加了表面沟道密度,提高近表面载流子浓度,从而使性能更加优化。若想对平面栅与沟槽栅技术的区别有更多了解,可以参考我们之前发表过的文章“平面型与沟槽型IGBT结构浅析”。


纵向结构方面,为了缓解阻断电压与饱和压降之间的矛盾,英家于2000年推出了Field Stop IGBT,目标在于尽量减少漂移区厚度,从而降低饱和电压。场截止(Field Stop)IGBT起始材料和NPT相同,都是低掺杂的N-衬底,不同在于FS IGBT背面多注入了一个N buffer层,它的掺杂浓度略高于N-衬底,因此可以迅速降低电场强度,使整体电场呈梯形,从而使所需的N-漂移区厚度大大减小。此外,N buffer还可以降低P发射极的发射效率,从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。若想了解更多NPT与场截止器件的区别,请前往 “PT,NPT,FS型IGBT的区别”了解更多详情。


技能:

低导通压降,

125℃工作结温,

开关性能优化


得益于场截止以及沟槽型元胞,IGBT3的通态压降更低,典型的Vce(sat)从第2代的典型的3.4到第3代的2.55V(3300V为例)。


名号:

T3,E3,L3


IGBT3在中低压领域基本已经被IGBT4取代,但在高压领域依然占主导地位,比如3300V,4500V,6500V的主流产品仍然在使用IGBT3技术。


中流砥柱-IGBT4


   


IGBT4是目前使用最广泛的IGBT芯片技术,电压包含600V,1200V,1700V,电流从10A到3600A,各种应用中都可以见到它的身影。


特征:

沟槽栅+场截止+薄晶圆


IGBT3一样,都是场截止+沟槽栅的结构,但IGBT4优化了背面结构,漂移区厚度更薄,背面P发射极及N buffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。


技能:

高开关频率,

优化开关软度,

150℃工作结温


IGBT4通过使用薄晶圆及优化背面结构,进一步降低了开关损耗,同时开关软度更高。同时,[敏感词]允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃,这无疑能进一步增加器件的输出电流能力。


名号:

T4,E4,P4


T4是小功率系列,开关频率[敏感词]20kHz。


E4适合中功率应用,开关频率[敏感词]8kHz。


P4对开关软度进行了更进一步优化,更适合大功率应用,开关频率[敏感词]3kHz。






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