IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用課件：功率半導(dǎo)體

功率半導(dǎo)體IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBTModules–Technologies,DriverandApplication1目錄31245簡介二極管晶閘管雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管絕緣柵雙極型晶體管45前景展望制造商IGBTModules–Technologies,DriverandApplication2功率半導(dǎo)體器件簡介常見功率半導(dǎo)體器件及其典型功率范圍、阻斷電壓和開關(guān)頻率SCR晶閘管BJTMOSFETIGBT全控器件：全控器件：不可控器件：D功率二極管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication3IGBT結(jié)構(gòu)簡介三個PN結(jié)J1，J2，J3

一個PNP型晶體管T1一個NPN型晶體管T2一個二極管D1

一個晶閘管V1一個MOSFET結(jié)構(gòu)T3兩個相鄰IGBT單元之間的一個JFET結(jié)構(gòu)T4IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4禁帶寬度：本征載流子濃度簡介物理性質(zhì)4H-SiCSiGaN禁帶寬度[eV]3.261.123.2擊穿電場[kV/100um]202.5~20導(dǎo)熱率[W/cm/K]~3.41.51.3IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5禁帶寬度隨著溫度的變化而改變簡介本征載流子濃度硅材料禁帶寬度Eg與溫度之間的關(guān)系曲線IGBTModules–Technologies,DriverandApplication6硅材料本征載流子濃度與溫度的關(guān)系函數(shù)簡介本征載流子濃度IGBTModules–Technologies,DriverandApplication7簡介摻雜n-，p-摻雜濃度:1012cm-3~1016cm-3n，p摻雜濃度:1015cm-3~1018cm-3n+,p+摻雜濃度:1017cm-3~1021cm-3IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8載流子運(yùn)動方式：載流子漂移擴(kuò)散簡介載流子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動半導(dǎo)體內(nèi)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動IGBTModules–Technologies,DriverandApplication9電子和空穴符合率：載流子主要的三種復(fù)合類型：直接（帶間）復(fù)合肖克萊里德霍爾(SRH)復(fù)合Auger復(fù)合簡介載流子的產(chǎn)生與復(fù)合復(fù)合產(chǎn)生的載流子：光子高能粒子碰撞電離IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10PN結(jié)：N區(qū)側(cè)形成正電荷區(qū)P區(qū)側(cè)形成負(fù)電荷區(qū)簡介PN結(jié)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10

2型擊穿：當(dāng)半導(dǎo)體中的損耗足夠大產(chǎn)生發(fā)熱和電流的不均勻分布，導(dǎo)致某些局部電流超過最大允許電流密度，隨之電壓迅速下降而電流急劇上升?？赡馨l(fā)生熱擊穿。簡介反向擊穿1型擊穿：PN結(jié)承受反向電壓超過臨界值，超過臨界電場強(qiáng)度，引發(fā)碰撞電離，導(dǎo)致雪崩效應(yīng)/載流子倍增效應(yīng)，空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)目會迅速增加。

與此同時如果電壓保持不變，原來很小的反向電流就會急劇增加，如過沒有外部電路的限制或者及時關(guān)斷電源，就可能毀壞半導(dǎo)體。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication11簡介制造工藝惰性氣體CZ工藝FZ工藝惰性氣體單晶硅阻抗的相對分布6英寸的晶圓（直徑為150mm）2007年以前8英寸的晶圓（直徑為200mm）2008年以后12英寸的晶圓（直徑為300mm）

現(xiàn)在IGBT晶圓：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13外延生長工藝離子注入工藝擴(kuò)散工藝掩膜工藝：通過離子注入或擴(kuò)散工藝獲得可控的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在原材料上覆蓋絕緣層（SiO2），再加一層光復(fù)印掩蔽模版，然后曝光和顯影。顯影之后，去除曝光區(qū)域的絕緣層，再移除光掩模版，就可以通過離子注入或擴(kuò)散工藝給曝光區(qū)摻雜。簡介制造工藝IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14簡介制造工藝常用邊緣結(jié)構(gòu)斜切結(jié)構(gòu)和其他邊緣結(jié)構(gòu)都是為了讓電場路徑在PN結(jié)中變得彎曲，從而降低電場強(qiáng)度。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15簡介制造工藝芯片背面金屬氧化層功能：半導(dǎo)體和封裝的熱接口半導(dǎo)體和封裝的電接口半導(dǎo)體和焊接層（通常是焊接層）之間的附著層IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16二極管二極管:PN結(jié)阻斷電壓：漂移區(qū)（N-）越寬垂直結(jié)構(gòu)：提高有效面積，通過大電流通態(tài)電壓：“雙倍注入”或者“電導(dǎo)調(diào)制”二極管分類：整流二極管；快恢復(fù)二極管；肖特基二極管；齊納和雪崩二極管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17二極管整流二極管

單相/三相二極管整流電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17二極管快恢復(fù)二極管感性負(fù)載中IGBT并聯(lián)快恢復(fù)續(xù)流二極管快恢復(fù)二極管

恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在幾個

s以下）?？旎謴?fù)外延二極管，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時間更短

（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19二極管肖特基二極管:也稱為熱載流子二極管，通過金屬和半導(dǎo)體接觸（肖特基接觸）形成肖特基勢壘。n（Si）金屬陽極陰極反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下反向漏電流易受溫度影響，溫度提升導(dǎo)致?lián)p耗迅速上升反向恢復(fù)時間很短，沒有反向恢復(fù)電流耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管效率高Si肖特基二極管:IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19二極管肖特基二極管肖特基二極管：硅—碳化硅碳化硅肖特基二極管特點(diǎn)：不存在反向峰值電流無論負(fù)載電流，還是溫度變化，反向電荷產(chǎn)生的電流變化率di/dt低至零工作結(jié)溫可高于200℃類型禁帶寬度Eg臨界擊穿電場導(dǎo)熱系數(shù)硅1.12eV0.25MV/cm3.0~3.8W/cm·K碳化硅3.26eV2.2MV/cm1.5W/cm·K結(jié)論三倍九倍IGBTModules–Technologies,DriverandApplication18二極管SiC肖特基二極管標(biāo)準(zhǔn)SiC肖特基二極管增加P型孤島混合PIN肖特基（MPS）二極管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20二極管齊納二極管與雪崩二極管齊納和雪崩效應(yīng)的擊穿電壓齊納擊穿電壓：2~6.5V雪崩擊穿電壓：4.5V~6.5V瞬變電壓抑制（TVS）二極管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21二極管齊納二極管與雪崩二極管齊納效應(yīng)：一種P區(qū)價帶中的電子通過隧道效應(yīng)向N區(qū)導(dǎo)帶運(yùn)動的現(xiàn)象。齊納二極管的電路符號和伏安特性曲線雪崩效應(yīng)：當(dāng)pn結(jié)承受足夠高的電壓時，勢壘區(qū)的大量載流子像雪球一樣倍增的現(xiàn)象。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication22晶閘管晶閘管家族的功率器件：柵極可關(guān)斷晶閘管（GTO）集成柵極換流晶閘管（IGCT）光觸發(fā)晶閘管（LTT）晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路、符號和伏安特性曲線IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管雙極結(jié)型晶體管（BJT）垂直四層摻雜結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路符號和輸出特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication24雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管雙極結(jié)型晶體管（BJT）NPN型BJT構(gòu)成共發(fā)射極電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication25雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管雙極結(jié)型晶體管（BJT）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication26雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FET）1.結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）

常閉器件，不適合電力電子器件JFET的設(shè)計結(jié)構(gòu)、電路符號及輸出特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication27雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FET）2.金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）N溝道增強(qiáng)型MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路符號和輸出特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FET）MOS電容工況：累積耗盡反型MOS電容的工作狀態(tài)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication29雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FET）3.超級結(jié)MOSFET標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和超級結(jié)MOSFET的對比曲線對于FET耐壓電壓增大一倍，導(dǎo)致通態(tài)電阻迅速增加標(biāo)準(zhǔn)MOSFET超級結(jié)MOSFETIGBTModules–Technologies,DriverandApplication30雙極結(jié)型晶體管和場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FET）內(nèi)部結(jié)構(gòu)引導(dǎo)電流流過一個比正常摻雜濃度更高的N區(qū)，等效電阻隨之降低。3.超級結(jié)MOSFETIGBTModules–Technologies,DriverandApplication31絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）MOSFET+雙極型晶體管=IGBTIGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT的輸出特性兩個平面柵極結(jié)構(gòu)IGBT之間的JFET效應(yīng)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT的關(guān)斷：第一階段關(guān)斷反型溝道，電流迅速下降；第二階段持續(xù)時間較長，導(dǎo)致IGBT拖尾電流。MOSFET和IGBT主要開通和關(guān)斷特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）t0到t1時刻建立空間電荷區(qū)t1時刻進(jìn)入拖尾電流t2時刻剩余載流子從集電極區(qū)通過復(fù)合被消除t3到t5時刻復(fù)合過程IGBT關(guān)斷過程中內(nèi)部載流子的分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT寄生電容：輸入電容：CGE=C1+C3+C4+C6反向傳輸電容：CGC=C2+C5輸出電容：CCE=C7IGBT的寄生電容IGBTModules–Technologies,DriverandApplication37絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT技術(shù)特性：降低導(dǎo)通損耗降低開通和關(guān)斷時的開關(guān)損耗器件開關(guān)的軟特性提高電流密度提高電壓等級減少半導(dǎo)體材料,降低成本提升最高工作結(jié)溫擴(kuò)展SOAIGBT半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)展IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）英飛凌公司從第二到第四代1200VIGBT典型參數(shù)權(quán)衡分析圖IGBTModules–Technologies,DriverandApplication39絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication40絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）穿通（PT）型IGBT以高摻雜的P+為襯底，之上是N+緩沖層，然后以N-基為外延。N+緩沖區(qū)作用使N-基區(qū)可以設(shè)計得薄一些復(fù)合部分從P+發(fā)射的空穴緩沖層可以平衡IGBT通態(tài)損耗和開關(guān)損耗PTIGBT內(nèi)部層結(jié)構(gòu)及電場分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）穿通（PT）型IGBTPTIGBT為負(fù)溫度系數(shù)。PTIGBT在并聯(lián)應(yīng)用中，如果配對不理想，每個IGBT的電流會顯著不均流。正向壓降UCE和集電極電流在不同溫度下關(guān)系曲線舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）非穿通（NPT）型IGBT與PTIGBT不同，NPTIGBT以低摻雜的N-基區(qū)作為襯底，N-層的損耗成為IGBT總損耗的主要部分。NPTIGBT基本表現(xiàn)為正溫度系數(shù)。NPTIGBT內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)和電場分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）場終止（FS）型IGBT設(shè)計目的：盡可能降低IGBT的總損耗。N-型襯底和場終止層設(shè)計決定了FSIGBT的開關(guān)特性FSIGBT一樣具有正溫度系數(shù)FSIGBT內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)和電場分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication44絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）溝槽柵（Trench）型IGBT溝槽柵極結(jié)構(gòu)和平面柵極結(jié)構(gòu)區(qū)別：當(dāng)IGBT開通時，P型發(fā)射區(qū)的反型溝道是垂直而不是橫向的，即不存在JFET效應(yīng)。溝槽柵IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電場分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication45絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）溝槽柵（Trench）型IGBT從集電極到發(fā)射極，溝槽柵IGBT的載流子濃度逐步升高，平面IGBT相反。內(nèi)部均勻的或者略微遞增的載流子濃度有利于平衡溝槽柵IGBT的靜態(tài)和動態(tài)損耗。溝槽柵和平面柵結(jié)構(gòu)IGBT內(nèi)部載流子濃度比較IGBTModules–Technologies,DriverandApplication46絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）溝槽柵（Trench）型IGBT

對于現(xiàn)代的IGBT，飽和壓降主要由Udrain-Collector決定。增加導(dǎo)電溝道的寬度有利于電導(dǎo)率上升，但是較寬的導(dǎo)電溝道會增加IGBT短路時的電流。平面柵IGBT和溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)飽和壓降：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication47絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）載流子儲存溝槽柵雙極晶體管（CSTBTTM）CSTBTTM和溝槽柵終止IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較IGBTModules–Technologies,DriverandApplication48絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）注入增強(qiáng)柵晶體管（IEGT）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication49絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）溝槽柵場終止IGBT（Trench-FSIGBT）結(jié)合場終止技術(shù)和溝槽柵技術(shù)通過FS層和溝槽柵的相互作用，IGBT技術(shù)參數(shù)有明顯的提升：在保持之前IGBT魯棒性的基礎(chǔ)上，通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都有所降低；功率密度提高，即電流密度增大單位IGBT所需要的硅材料降低。溝槽柵終止IGBT內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)和電場分布IGBTModules–Technologies,DriverandApplication50絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆導(dǎo)型IGBT（RCIGBT）IGBT集成二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication51絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT集成的額外功能輔助功能：電流測量功能；溫度測量電路；柵極電阻。半橋電路中IGBT檢測電路應(yīng)用電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication52絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT集成的額外功能集成溫度檢測常用于PN結(jié)（二極管）的結(jié)溫測量。注：對于所有的商業(yè)化生產(chǎn)的IGBT模塊，只能測量IGBT的結(jié)溫，而不能測量續(xù)流二極管的結(jié)溫。集成溫度測量IGBTModules–Technologies,DriverandApplication53絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT集成的額外功能集成柵極電阻Rgint主要用IGBT模塊內(nèi)多個并聯(lián)芯片的解耦。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication54前景展望開始批量生產(chǎn)的新型器件：S