IGBT是一個壓控功率晶體管，你可以把它看作是CMOS晶體管的大功率版本。其特點是開關(guān)頻率高。主要用于家用，如變頻空調(diào)、電磁爐、微波爐、電腦電源的有源pfc、UPS等。工業(yè)應(yīng)用主要用于各種電機(jī)驅(qū)動。功能上，IGBT是一個電路開關(guān)，用于電壓幾十到幾百伏，電流幾十到幾百安培的高壓電源中。
電的發(fā)現(xiàn)是人類歷史上的一次革命，它產(chǎn)生的動能每天都在持續(xù)釋放。人對電的需求不亞于人類世界對氧氣的需求。沒有電，人類文明仍將在黑暗中探索。
然而，IGBT是電力電子的重要組成部分。沒有IGBT，就沒有高鐵的便捷生活。
說到IGBT，做半導(dǎo)體的人認(rèn)為它只是一個功率識別器，他們都瞧不起它。但和28nm/16nm集成電路制造一樣，是國家“02專項”的重點支持項目。這個東西是目前電力電子器件中技術(shù)的產(chǎn)物，已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的功率mosFET。其應(yīng)用非常廣泛，小到家用電器，大到飛機(jī)、船舶、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性行業(yè)。在電力電子行業(yè)被稱為“CPU”由來已久。該產(chǎn)品(包括芯片)仍被少數(shù)IDM(飛兆、英飛凌、東芝)壟斷，位列“十二五”期間16個國家重大技術(shù)突破項目(簡稱“02項目”)第二名。
1.什么是IGBT？
IGBT被稱為絕緣柵雙極晶體管，所以它是一個具有MOS柵的BJT晶體管。奇怪，是MOSFET還是BJT？其實都不是。都是。別拐彎抹角了，他是MOSFET和BJT的結(jié)合體。
當(dāng)我談到MOSFET和BJT時，我提到了它們的優(yōu)缺點。MOSFET主要是單載流子(多載流子)導(dǎo)通，而BJT是雙載流子導(dǎo)通，所以BJT的驅(qū)動電流會比MOSFET大，但是MOSFET的控制柵是場效應(yīng)反轉(zhuǎn)控制的，控制端沒有額外的功率損耗。所以IGBT是結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點，既有MOSFET的柵壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又有BJT的雙載流子，達(dá)到大電流(低導(dǎo)通壓降)的目的。從而達(dá)到低驅(qū)動功率和低飽和電壓的完美要求，廣泛應(yīng)用于600V以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
2.傳統(tǒng)功率MOSFET
為了以后理解IGBT，我先說一下功率MOSFET的結(jié)構(gòu)。所謂功率MOS就是要承受大功率，換句話說就是高電壓大電流。我們結(jié)合一般的低壓MOSFET來說明如何改變結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高壓大電流。
1)高電壓:如果一般MOSFET的漏極電壓很高，很容易導(dǎo)致器件擊穿，而一般的擊穿通道是器件的另外三個端子(S/G/B)，所以要解決高電壓問題，必須把這三個端子堵住。柵極端只能通過柵下的場板與漏極隔離，而體極端的PN結(jié)擊穿只能通過降低PN結(jié)兩側(cè)的濃度來實現(xiàn)。討厭的是到源極端子，需要一個很長的漂移區(qū)作為漏極串聯(lián)電阻來分壓，這樣電壓就可以在漂移區(qū)上下降。
2)大電流:一般MOSFET的溝道長度是由Poly CD決定的，而功率MOSFET的溝道是由兩個擴(kuò)散的結(jié)深差控制的，所以只要工藝穩(wěn)定就可以做得很小，不受光刻精度的限制。器件的電流取決于W/L，所以如果想獲得大電流，只需要增加W。
所以上面的功率MOSFET也叫LDMOS(橫向雙擴(kuò)散MOS)。雖然這樣的設(shè)備可以滿足大功率的要求，但它仍然有其固有的缺點。因為它的源極、柵極和漏極都在表面，漏極和源極需要拉得很長，浪費(fèi)了芯片面積。此外，由于器件在地面上，如果要并聯(lián)器件，復(fù)雜性會增加，需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(垂直DMOS)，把漏極均勻地放在晶片背面，這樣通過減薄背面可以完全控制漏極和源極的漂移區(qū)長度，這種結(jié)構(gòu)更有利于管間并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高功率。然而，為了與CMOS兼容，BCD工藝中仍然使用LDMOS結(jié)構(gòu)。
讓我告訴你關(guān)于VDMOS的發(fā)展和演變。早期的VDMOS直接把LDMOS的漏極放在背面，通過背面減薄、注入和金屬蒸發(fā)制作而成(如下圖)。它就是傳說中的平面VDMOS，它與傳統(tǒng)LDMOS相比的挑戰(zhàn)在于背面工藝。但它的優(yōu)點是前端工藝兼容傳統(tǒng)CMOS工藝，所以還是有生命力的。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點是它的溝道是橫向于表面的，面積利用率仍然不夠高。
后來，為了克服平面DMOS帶來的缺點，發(fā)展了VMOS和UMOS結(jié)構(gòu)。他們所做的是在晶片表面挖一個凹槽，并沿著凹槽的壁將管道的通道從原來的平面改為垂直。這真是個聰明的主意。但是，一個餡餅總是伴隨著一個陷阱(IC制造總是在取舍中)。這種結(jié)構(gòu)的固有缺點是溝槽太深，電場集中，導(dǎo)致?lián)舸?，而且工藝難度和成本高，溝槽底部必須粗糙，否則容易擊穿或產(chǎn)生應(yīng)力晶格缺陷。但它的優(yōu)點是晶體飽和的數(shù)量比原來多很多，所以可以并聯(lián)更多的晶體管，更適合低壓大電流的應(yīng)用。
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