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IGBT 的重要设计

IGBT 的基本原理结构
PT-设计(穿透型设计)
最早被开发出来到现在一直被使用的就是穿透型(PT)设计。它是使用p+基片板,通过外延生长技术制造出n+区和n-区。PT-IGBT 也可使用沟槽栅极结构,如图2.4.10 所示。在正向截止状态空间电荷区充满了整个n-区。为了使外延层相对高的截止电压保持尽可能的薄度,在n-区的边缘,通过高掺杂的n+型缓冲区,使电场降到零。因为基板较厚和掺杂浓度较低,PT-IGBT 在n+漂移区的p+层有很高的发射效率。pnp晶体管的放大倍数通过基极传输系数(n-漂移区, n+缓冲区)被减小。通过附加的再结合层(例如,通过掺杂金属金或者电子辐射)可以减小在n+区的载流子寿命。空穴电流占总电流的40%到45 %。
NPT-设计(非穿透型设计)
在稍后的时间,很多制造商开始采用了非穿透型设计生产(NPT)IGBT。它的基板是很薄掺杂浓度很低的n-硅片,采用移植技术,在背面形成集电极p+区。n-漂移区做的很宽,以致在最高许可耐压时,电场在n-漂移区被完全消弱到零。相对PT 设计,电场不会穿透n-漂移区。NPT-IGBT 模块有一个很薄的集电极p+发射区,使pnp 晶体管达到一个较低的发射效率(gE = 0.5)。通过降低载流子寿命来降低基极传输系数对NPT-IGBT 是不必要的。空穴电流站全部电流的20%到25%。NPT-IGBT 的饱和电压同PT-IGBT 正相反,同温度成正比。这提高了芯片中的单元之间和并联的芯片之间的电流分布平衡。作为硬性开关,它的关时间相对要小,而且受温度的影响要低,通过内部电流限制可以很好的切断过载电流。现在赛米控(SEMIKRON)公司在老的NPT-IGBT 基础上生产新一代IGBT2。
SPT 和SPT+ 设计(软穿透型设计)
SPT-IGBT(软穿透IGBT)是由ABB 公司在NPT 设计的基础上开发出来的。它也是以很薄的,掺杂浓度很低的n-硅片作为基板,采用移植技术,在背面形成集电极p+区,在这层的上面额外移植一层n+
电场阻止层,如同在PT 设计中,利用高掺杂浓度的n+半导体作为缓冲层来减少漂移区的厚度的原理一样,使电场在n+漂移区的边缘被消除。这层不能像PT-IGBT 中那样降低发射效率,而只能消除电场,所以它的掺杂浓度没有在PT-IGBT 那么高。在同样的正向截止电流时,SPT-IGBT 漂流区的厚度wB 相对NPT-IGBT 来说要薄,所以通态压降就小。同时它还保留其通态压降同温度的正比的特性和高的坚固性。图
2.4.11 给出了这三种,既PT-IGBT,NPT-IGBT 和SPT-IGBT 的结构示意图。
图2.4.11PT-IGBT,NPT-IGBT 和SPT-IGBT 的结构示意图
另一个开发出的产品是SPT+结构 (图2.4.12)。它是在n-漂移区内p 沟槽的外围产生一层n 半导体层,影响少数载流子(空穴)在导通状态时流通。这就使发射极的载流子密度在导通状态时增高,从而在不损失开关特性的情况下,降低了通态压降。在n 半导体区和n-半导体漂移区的n--n 结有一个约为0,17V 的点压差,这个电压差影响了空穴的移动。为了保持中性电子从沟槽送出,自由载子的浓度升高。
SPT+IGBT 的结构 b)载流子示意图
 

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