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[color=rgb(51, 51, 51) !important]因为最近工作中比较多的涉及到IGBT,所以今天我们来聊一聊IGBT的设计的相关要点,当然只是从我们比较关心的几点出发,概括性地来说一说。而没有深入到物理参杂等方面,希望可以对你们有所帮助。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT基本结构和原理
[color=rgb(51, 51, 51) !important]每次讲到IGBT,都会先对它进行一个简单的介绍。IGBT是一个复合器件,由一个MOSFET和一个PNP三极管组成;当然,也可以看成一个VDMOS和一个PN二极管的组成。基本结构如下图 [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]等效电路如下 [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]1、IGBT的静态参数 [color=rgb(51, 51, 51) !important]常规IGBT只有正向阻断能力,由PNP晶体管的集电结承担,而其反向的电压承受能力只有几十伏,因为PNP晶体管的发射结处没有任何终端和表面造型。IGBT在通态情况下,除了有一个二极管的门槛电压(0.7V左右)以外,其输出特性与VDMOS的完全一样。下图是IGBT的正反向直流特性曲线 [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT的主要静态参数: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①阻断电压V(BR)CES—器件在正向阻断状态下的耐压 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②通态压降VCE(on)—器件在导通状态下的电压降 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③阈值电压VGE(th)—器件从阻断状态到导通状态所需施加的栅 极电压VG [color=rgb(51, 51, 51) !important]2、IGBT的开关特性 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT的开关机理与VDMOS完全一样,由MOS栅来控制其开通和关断。所不同的是IGBT比VDMOS在漏极多了一个PN结,在导通过程中有少子空穴的参与,这就是所谓的电导调制效应。这一效应使得IGBT在相同的耐压下的通态压降比VDMOS的低。由于在漂移区内空穴的存在,在IGBT关断时,这些空穴必须从漂移区内消失,与VDMOS的多子器件相比,IGBT双极器件的关断需要更长的时间。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]
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[color=rgb(51, 51, 51) !important]各个厂家对于Eon和Eoff的起始标准可能有所差异,对比时,最好进行统一,当然最好能够进行实际的实验对比,这样较为科学和可靠。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT的主要开关参数: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①开通时间 (td(on)+tr) —器件从阻断状态到开通状态所需要的时 间 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②关断时间 (td(off)+tf) —器件从开通状态到阻断状态所需要的时 间 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③开通能量(Eon)—器件在开通时的能量损耗 [color=rgb(51, 51, 51) !important]④关断能量(Eoff)—器件在关断时的能量损耗 [color=rgb(51, 51, 51) !important]02设计中的关键参数 [color=rgb(51, 51, 51) !important]对于一个功率半导体器件而言,关键是器件的长期工作可靠性,而影响可靠性关键的因素就是器件的功率损耗。这一点对大功率高频器件尤为重要。当然,功耗越小,则器件的可靠性就越高。IGBT的功率损耗主要体现在其反向阻断状态、导通状态及开关状态,而影响上述三个状态损耗的主要参数如下。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]1、阻断电压 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT处于阻断状态时,希望在承受额定阻断电压时,器件的漏电流越小越好。这样,器件在阻断状态下的功率损耗越小。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]影响阻断电压的因素有下面几点: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①漂移区的电阻率的增加,耐压增加 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②漂移区的厚度的增加,耐压增加 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③栅极宽度的增加,耐压减少 [color=rgb(51, 51, 51) !important]④终端结构 [color=rgb(51, 51, 51) !important]2、通态压降 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT的通态压降VCE(on) 由下面的电阻构成: [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]Ron = RCS + RN+ + RCH+ RA+ RJ + RD+ RSUB+ RCD [color=rgb(51, 51, 51) !important]VCE(on) =Ron * Ic [color=rgb(51, 51, 51) !important]对高压IGBT而言,主要影响VCE(on)的电阻是RJ和RD,即JFET区域的电阻和N-漂移区内的电阻。因此,如何尽量降低RJ和RD是大功率IGBT设计中应重点考虑的。我们提到的沟槽栅结构和场阻断结构就是为了减少RJ和RD。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]通态压降VCE(on)的大小决定着器件耗散功率的大小,之前我们也有提到过 [color=rgb(51, 51, 51) !important]Ptot=(Tj-Tc)/Rthjc=VCE(on)*Ic [color=rgb(51, 51, 51) !important]Rthjc为结壳热阻 [color=rgb(51, 51, 51) !important]3、开关损耗 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT的开关损耗主要时由开关能量和开关的频率fsw决定的,即 [color=rgb(51, 51, 51) !important]Psw=Esw+fsw [color=rgb(51, 51, 51) !important]Esw=Eon+Eoff [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT的Eon和Eoff主要取决于栅电阻RG,栅源间电容CGE和栅漏间电容CGC,及IGBT中PNP三极管的增益αPNP。降低RG、CGE和CGC可以同时降低Eon和Eoff ,但是,要注意,发射效率γPNP对开通能量和关断能量的影响是相反的,即αPNP 大,开通时间短,但关断时间长。因此,在设计上要给于折中的考虑。在高频应用中,往往希望IGBT的关断时间要短,这样,在一般IGBT的设计中往往尽可能地减少αPNP。这也是为什么在PT-IGBT中要采用n型缓冲层和在NPT-IGBT中要尽可能降低P发射区浓度和厚度的原因。另外,降低αPNP,也有利于抑制IGBT的latch-up效应(擎住效应)。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]4、电容 [color=rgb(51, 51, 51) !important]前面我们也给出过更加详细的寄生电容分布图,IGBT中应该注意下面三个主要的电容: [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]输入电容:Ciss=CGE+CGC [color=rgb(51, 51, 51) !important]输出电容:Coss=CCE+CGC [color=rgb(51, 51, 51) !important]反向传输电容(米勒电容):Crss=CGC [color=rgb(51, 51, 51) !important]在设计中,要尽量使米勒电容越小越好,米勒电容越小,器件的开通和关断过程就越短。另外,在半桥线路中,如果米勒电容越大,则越容易引起直通现象(米勒效应)。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]Ciss 、Coss 和Crss 影响器件的开通和关断时间以及开通和关断延迟时间,进而影响器件的开关损耗。所以我们要充分考虑电容的协调性。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]5、频率特性 [color=rgb(51, 51, 51) !important]影响IGBT的频率特性的主要因素如下: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①通态损耗和开关损耗越低,则器件的工作频率就越高 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②散热特性越好,热阻越小,则频率就越高 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③工作电流越大,则频率越低 [color=rgb(51, 51, 51) !important]④器件耐压越高,则频率越低 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑤栅极电阻越小,则频率越高 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑥器件输入电容越小,则频率越高 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑦环境温度越高,则频率越低 [color=rgb(51, 51, 51) !important]当然,频率的影响因素之中有些本身就是相互影响的,所以需要综合考虑主要的因素,寻求一个平衡。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]03结构设计 [color=rgb(51, 51, 51) !important]1、有源区结构 [color=rgb(51, 51, 51) !important]常用的IGBT的有源区的原胞几何结构主要分为:条形、方形和正六边形。对通态压降而言,正六边形最小(Ron最小),条形最大(Ron最大);对抗闭锁能力而言,条形最强 (Rb最小),正六边形最弱(Rb最大);而且,条形原胞可以获得较好的耐压和通态压降之间的协调关系。如下图所示 [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]有源区的设计主要要考虑两个值:栅源长度和(LG+LE)和栅源长度比(LG/LE)。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]原胞的栅长度LG与栅源长度和(LG+LE)的比例越小,米勒电容Crss就越小;原胞的栅源长度比(LG/LE)越大,通态压降越小,耐压越低,短路电流越大。并且,多晶栅的长度LG越宽,JFET区域的压降越小,通态压降就越小。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]2、栅极结构 [color=rgb(51, 51, 51) !important]栅极主要有两种:平面栅和沟槽栅,结构图如下: [color=rgb(51, 51, 51) !important]平面栅
[color=rgb(51, 51, 51) !important]沟槽栅
[color=rgb(51, 51, 51) !important]沟槽栅的优点:通态压降减小,与平面栅相比,减小了约30%左右;电流密度大。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]沟槽栅的缺点:沟槽工艺复杂;短路能力低;栅电容大,约为平面栅的3倍。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]3、终端设计 [color=rgb(51, 51, 51) !important]常见的功率半导体器件的终端有一下四种:场限环结构,场板结构,JTE(结终端扩展)结构和VLD(横向变掺杂)结构。对高压IGBT器件,用的最多的,容易实现的终端结构是场限环结构,当然,也有的设计将上述方法结合起来。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]终端设计中应注意的几个问题: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①PN结的曲率半径要尽可能大;曲率半径越大,承受电压的能力 [color=rgb(51, 51, 51) !important]就越强 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②实际环的宽度,取决于该环承受的电压降及PN结P型区的浓 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③实际环的间距,间距太小,则最后一个环承受的电压降较高; 反之,则第一个环承受的电压降较高 [color=rgb(51, 51, 51) !important]④环的表面电荷影响PN结表面的形状,进而影响该结承受电压降 [color=rgb(51, 51, 51) !important]的能力。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]下图是场限环电场的分布 [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]4、纵向结构 [color=rgb(51, 51, 51) !important]漂移区电场分布主要两种:穿通型和非穿通型。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]穿通型电场分布的结构可以较好的实现耐压与通态压降之间的协调,而非穿通型电场分布的结构,通态压降往往较大,但其短路能力较强。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT主要三种纵向结构:PT穿通型、NPT型和FS场阻断结构。PT和FS属于穿通型;NPT属于非穿通型。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]三种纵向结构如下图: [color=rgb(51, 51, 51) !important]
[color=rgb(51, 51, 51) !important]三种结构的特点如下: [color=rgb(51, 51, 51) !important]PT穿通型结构的特点: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①p+衬底,n外延漂移区 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②电场穿透漂移区,到达n+缓冲层 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③负温度系数 [color=rgb(51, 51, 51) !important]④需要少子寿命控制技术 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑤材料成本较高 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑥不需要减薄工艺 [color=rgb(51, 51, 51) !important]NPT非穿通型结构的特点: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①无外延层 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②薄p发射区 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③电场未穿透漂移区 [color=rgb(51, 51, 51) !important]④正温度系数 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑤热阻低 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑥不需要少子寿命控制技术 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑦材料成本低 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑧需要减薄工艺,但减薄后厚度较厚 [color=rgb(51, 51, 51) !important]FS场阻断结构的特点: [color=rgb(51, 51, 51) !important]①无外延层 [color=rgb(51, 51, 51) !important]②薄p发射区 [color=rgb(51, 51, 51) !important]③电场穿透漂移区,到达n+场阻断层 [color=rgb(51, 51, 51) !important]④正温度系数 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑤拖尾电流小 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑥通态压降小 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑦不需要少子寿命控制技术 [color=rgb(51, 51, 51) !important]⑧需要减薄工艺,但减薄后厚度较薄 [color=rgb(51, 51, 51) !important]IGBT是一个MOS控制的双极器件。电场控制型器件的触发电路简单,器件的开关损耗低;双极器件由于少子的电导调制效应,在高电压时,可以获得较低的通态压降。因此,IGBT适用于大电流、高压和高频的应用。设计时,需要综合考虑上文提到的因素,当然还有其他一些文中没提出的,比如可靠性的影响因素。 [color=rgb(51, 51, 51) !important]总之,在高频大功率IGBT的设计中,必须要在减少器件静态和开关功率损耗的基础上,综合考虑其静态、动态的各个参数,以及各个参数之间的协调性。
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