IGBT的构造与工作原理详解(2)

3．穿通型(PT) & 非穿通型(NPT)&场中止型(FS)IGBT
       PT-IGBT在数百微米厚的P+单晶衬底与N-漂移耐压层之间添加了N+缓冲层，外延层上制造复杂的正面结构。N+缓冲层通过减少少数载流子的注入及提高开关过程中的复合速度，可以提高IGBT的关断速度。此外擎柱效应也得到了改善，减少了PNP晶体管的增益。但是，会造成通态压降增加。不过，N-漂移区的厚度可以减小并保持相同的正向电压阻断能力，因为N+缓冲层可以提高正向电压阻断能力，从而降低通态压降。因此，PT-IGBT相对于NPT-IGBT具有优越的开关速度和正向压降折衷特性。PT-IGBT的导通压降VCEsat具有负温度系数，热电正反馈效应很容易使电流集中，诱发二次击穿，器件高温稳定性差，不利于并联工作。
       高压NPT-IGBT采用N-型单晶为起始材料，单晶衬底上直接制造正面复杂的结构，结构完成后，从衬底背面采用研磨、腐蚀的方法减薄到耐压所需的厚度，之后很薄的P+集电区通过离子注入形成，掺杂浓度较低，对少子电子是透明的，主要（约70%）电子流形式的电流通过集电结。器件关断时，漂移区存储的大量过剩电子通过透明集电区能迅速流出，而空穴本来就能顺利流向发射极。因此NPT-IGBT不需要载流子寿命控制就能实现快速关断。漂移区载流子寿命足够长，通态压降VCEsat具有正温度系数。
       FS-IGBT是通过在传统的NPT-IGBT的衬底区和集电区之间加入一个n型掺杂附加层实现，这个附加层被称为电场中止（fieldstop）层。一般衬底厚度是标志通态损耗大小的参数—饱和电压VCEsat的主要决定因素。衬底越厚，饱和电压越大。传统的NPT-IGBT以较厚硅片为基本，1200V耐压IGBT大概200微米厚。从图中电场强度分布曲线可看出，在关断期间整个衬底中电场强度线性下降，最后到零。这种电场分布对应的掺杂浓度分布（均匀分布）是一种很差的分布，它意味着导通状态下衬底的内部电阻相当大。若为了降低电阻调整衬底掺杂浓度则会对器件其他参数带来不利影响。而FS-IGBT电场中止层的掺杂总剂量设计为能使电场强度在这一层中基本降低为零。就是说该层以下衬底中电场强度的降低可以忽略，因而，IGBT的电压阻断能力与衬底厚度不再有关系，可以研磨的更薄。使IGBT具有很低的饱和电压，从而有很低的通态损耗。

4．IGBT工作原理
IGBT导通过程：当N沟道类型的 IGBT处在正向阻断模式时，通过栅极-发射极间施加阀值电压VTH以上的(正)电压，在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道)，发射极电极下的n-层电子开始注入沟道，该电子为PNP晶体管的少数载流子，若此时集电极与发射极电压在0.7V以上，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制(双极工作)，所以可以使集电极-发射极间饱和电压降低。基片的应用在管体的P+衬底和N+漂移区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗， 并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流);空穴电流(双极)。UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。
IGBT关断过程：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，反型层无法维持，沟道被禁止，供应到N-漂移区的电子流被阻断，没有空穴注入N-区内。关断过程开始，但是关断不能迅速完成。MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为正向传导过程中的N-漂移区被注入少数空穴载流子。换向开始后，由于沟道电子流的中止，集电极的电流急剧降低，然后在N-层内还存在少数的载流子(少子)进行复合，集电极电流再逐渐降低。这种拖尾电流的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度有关。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，会引起以下问题：功耗升高;交叉导通问题，特别是在使用 续流二极管的设备上，问题更加明显。
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作者：Jackie Zhao