IGBT設計關鍵因素簡析

因為最近工作中比較多的涉及到IGBT，所以今天我們來聊一聊IGBT的設計的相關要點，當然只是從我們比較關心的幾點出發，概括性地來說一說。而沒有深入到物理參雜等方面，希望可以對你們有所幫助。

IGBT基本結構和原理

每次講到IGBT，都會先對它進行一個簡單的介紹。IGBT是一個復合器件，由一個MOSFET和一個PNP三極管組成；當然，也可以看成一個VDMOS和一個PN二極管的組成。基本結構如下圖：

等效電路如下：

1、IGBT的靜態參數

常規IGBT只有正向阻斷能力，由PNP晶體管的集電結承擔，而其反向的電壓承受能力只有幾十伏，因為PNP晶體管的發射結處沒有任何終端和表面造型。IGBT在通態情況下，除了有一個二極管的門檻電壓（0.7V左右）以外，其輸出特性與VDMOS的完全一樣。下圖是IGBT的正反向直流特性曲線：

IGBT的主要靜態參數：

①阻斷電壓V(BR)CES—器件在正向阻斷狀態下的耐壓

②通態壓降VCE(on)—器件在導通狀態下的電壓降

③閾值電壓VGE(th)—器件從阻斷狀態到導通狀態所需施加的柵極電壓VG

2、IGBT的開關特性

IGBT的開關機理與VDMOS完全一樣，由MOS柵來控制其開通和關斷。所不同的是IGBT比VDMOS在漏極多了一個PN結，在導通過程中有少子空穴的參與，這就是所謂的電導調制效應。這一效應使得IGBT在相同的耐壓下的通態壓降比VDMOS的低。由于在漂移區內空穴的存在，在IGBT關斷時，這些空穴必須從漂移區內消失，與VDMOS的多子器件相比，IGBT雙極器件的關斷需要更長的時間。

各個廠家對于Eon和Eoff的起始標準可能有所差異，對比時，最好進行統一，當然最好能夠進行實際的實驗對比，這樣較為科學和可靠。

IGBT的主要開關參數：

①開通時間 (td(on)+tr) —器件從阻斷狀態到開通狀態所需要的時間

②關斷時間 (td(off)+tf) —器件從開通狀態到阻斷狀態所需要的時間

③開通能量(Eon)—器件在開通時的能量損耗

④關斷能量(Eoff)—器件在關斷時的能量損耗

設計中的關鍵參數

對于一個功率半導體器件而言，關鍵是器件的長期工作可靠性，而影響可靠性關鍵的因素就是器件的功率損耗。這一點對大功率高頻器件尤為重要。當然，功耗越小，則器件的可靠性就越高。IGBT的功率損耗主要體現在其反向阻斷狀態、導通狀態及開關狀態，而影響上述三個狀態損耗的主要參數如下。

1、阻斷電壓

IGBT處于阻斷狀態時，希望在承受額定阻斷電壓時，器件的漏電流越小越好。這樣，器件在阻斷狀態下的功率損耗越小。

影響阻斷電壓的因素有下面幾點：

①漂移區的電阻率的增加，耐壓增加

②漂移區的厚度的增加，耐壓增加

③柵極寬度的增加，耐壓減少

④終端結構

2、通態壓降

IGBT的通態壓降VCE(on)由下面的電阻構成：

Ron= RCS+ RN++ RCH+ RA+ RJ+ RD+ RSUB+ RCD

VCE(on)=Ron* Ic

對高壓IGBT而言，主要影響VCE(on)的電阻是RJ和RD，即JFET區域的電阻和N-漂移區內的電阻。 因此，如何盡量降低RJ和RD是大功率IGBT設計中應重點考慮的。我們提到的溝槽柵結構和場阻斷結構就是為了減少RJ和RD。

通態壓降VCE(on)的大小決定著器件耗散功率的大小，之前我們也有提到過：

Ptot=(Tj-Tc)/Rthjc=VCE(on)*Ic

Rthjc為結殼熱阻

3、開關損耗

IGBT的開關損耗主要時由開關能量和開關的頻率fsw決定的，即

Psw=Esw+fsw

Esw=Eon+Eoff

IGBT的Eon和Eoff主要取決于柵電阻RG，柵源間電容CGE和柵漏間電容CGC，及IGBT中PNP三極管的增益αPNP。降低RG、CGE和CGC可以同時降低Eon和Eoff，但是，要注意，發射效率γPNP對開通能量和關斷能量的影響是相反的，即αPNP 大，開通時間短，但關斷時間長。因此，在設計上要給于折中的考慮。在高頻應用中，往往希望IGBT的關斷時間要短，這樣，在一般IGBT的設計中往往盡可能地減少αPNP。這也是為什么在PT-IGBT中要采用n型緩沖層和在NPT-IGBT中要盡可能降低P發射區濃度和厚度的原因。另外，降低αPNP，也有利于抑制IGBT的latch-up效應（擎住效應）。

4、電容

前面我們也給出過更加詳細的寄生電容分布圖，IGBT中應該注意下面三個主要的電容：

輸入電容：Ciss=CGE+CGC

輸出電容：Coss=CCE+CGC

反向傳輸電容(米勒電容)：Crss=CGC

在設計中，要盡量使米勒電容越小越好，米勒電容越小，器件的開通和關斷過程就越短。另外，在半橋線路中，如果米勒電容越大，則越容易引起直通現象(米勒效應)。

Ciss 、Coss 和Crss 影響器件的開通和關斷時間以及開通和關斷延遲時間，進而影響器件的開關損耗。所以我們要充分考慮電容的協調性。

5、頻率特性

影響IGBT的頻率特性的主要因素如下：

①通態損耗和開關損耗越低，則器件的工作頻率就越高

②散熱特性越好，熱阻越小，則頻率就越高

③工作電流越大，則頻率越低

④器件耐壓越高，則頻率越低

⑤柵極電阻越小，則頻率越高

⑥器件輸入電容越小，則頻率越高

⑦環境溫度越高，則頻率越低

當然，頻率的影響因素之中有些本身就是相互影響的，所以需要綜合考慮主要的因素，尋求一個平衡。

結構設計

1、有源區結構

常用的IGBT的有源區的原胞幾何結構主要分為：條形、方形和正六邊形。對通態壓降而言，正六邊形最小（Ron最小），條形最大（Ron最大）；對抗閉鎖能力而言，條形最強 （Rb最小），正六邊形最弱（Rb最大）；而且，條形原胞可以獲得較好的耐壓和通態壓降之間的協調關系。如下圖所示：

有源區的設計主要要考慮兩個值：柵源長度和(LG+LE)和柵源長度比(LG/LE)。

原胞的柵長度LG與柵源長度和(LG+LE)的比例越小，米勒電容Crss就越小；原胞的柵源長度比(LG/LE)越大，通態壓降越小，耐壓越低，短路電流越大。并且，多晶柵的長度LG越寬，JFET區域的壓降越小，通態壓降就越小。

2、柵極結構

柵極主要有兩種：平面柵和溝槽柵，結構圖如下：

平面柵

溝槽柵

溝槽柵的優點：通態壓降減小，與平面柵相比，減小了約30%左右；電流密度大。

溝槽柵的缺點：溝槽工藝復雜；短路能力低；柵電容大，約為平面柵的3倍。

3、終端設計

常見的功率半導體器件的終端有一下四種：場限環結構，場板結構，JTE（結終端擴展）結構和VLD（橫向變摻雜）結構。對高壓IGBT器件，用的最多的，容易實現的終端結構是場限環結構，當然，也有的設計將上述方法結合起來。

終端設計中應注意的幾個問題：

①PN結的曲率半徑要盡可能大；曲率半徑越大，承受電壓的能力

就越強

②實際環的寬度，取決于該環承受的電壓降及PN結P型區的濃

③實際環的間距，間距太小，則最后一個環承受的電壓降較高； 反之，則第一個環承受的電壓降較高

④環的表面電荷影響PN結表面的形狀，進而影響該結承受電壓降

的能力。

下圖是場限環電場的分布：

4、縱向結構

漂移區電場分布主要兩種：穿通型和非穿通型。

穿通型電場分布的結構可以較好的實現耐壓與通態壓降之間的協調，而非穿通型電場分布的結構，通態壓降往往較大，但其短路能力較強。

IGBT主要三種縱向結構：PT穿通型、NPT型和FS場阻斷結構。PT和FS屬于穿通型；NPT屬于非穿通型。

三種縱向結構如下圖：

三種結構的特點如下：

PT穿通型結構的特點：

①p+襯底，n外延漂移區

②電場穿透漂移區，到達n+緩沖層

③負溫度系數

④需要少子壽命控制技術

⑤材料成本較高

⑥不需要減薄工藝

NPT非穿通型結構的特點：

①無外延層

②薄p發射區

③電場未穿透漂移區

④正溫度系數

⑤熱阻低

⑥不需要少子壽命控制技術

⑦材料成本低

⑧需要減薄工藝，但減薄后厚度較厚

FS場阻斷結構的特點：

①無外延層

②薄p發射區

③電場穿透漂移區，到達n+場阻斷層

④正溫度系數

⑤拖尾電流小

⑥通態壓降小

⑦不需要少子壽命控制技術

⑧需要減薄工藝，但減薄后厚度較薄

IGBT是一個MOS控制的雙極器件。電場控制型器件的觸發電路簡單，器件的開關損耗低；雙極器件由于少子的電導調制效應，在高電壓時，可以獲得較低的通態壓降。因此，IGBT適用于大電流、高壓和高頻的應用。設計時，需要綜合考慮上文提到的因素，當然還有其他一些文中沒提出的，比如可靠性的影響因素。

總之，在高頻大功率IGBT的設計中，必須要在減少器件靜態和開關功率損耗的基礎上，綜合考慮其靜態、動態的各個參數，以及各個參數之間的協調性。