摘要：據(jù)報道，IGBT功率半導(dǎo)體器件自上世紀(jì)八十年代中期問世后，受到應(yīng)用者的熱烈歡迎，大量使用在電力電子裝置上，使裝置進(jìn)入了一個突飛猛進(jìn)階段。IGBT也越來越深入人心。
　　
　　初期的IGBT存在了很多不足的地方，使應(yīng)用受到了極大的限制。其后人們針對其存在的不足，作了不斷改進(jìn)。行內(nèi)習(xí)慣按改進(jìn)次序排列，現(xiàn)今IGBT已進(jìn)入到第六代?？梢赃@么說每一次改進(jìn)都有一個飛躍。
　　
　　了解一下半導(dǎo)體
　　
　　雖然IGBT的應(yīng)用者需要了解的只是IGBT規(guī)格、型號、性能、參數(shù)和應(yīng)用須知就夠了，但不妨了解一下半導(dǎo)體器件zui基本的知識對閱讀本文是有幫助的。
　　
　　IGBT是一種功率半導(dǎo)體器件。器件的制作就是在薄薄的一層均勻的半導(dǎo)體硅晶片中按設(shè)計方案用特定的工藝手段做成不同功能的若干小區(qū)域(可能大家已有了解的所謂PN結(jié)、高阻層、高濃度雜質(zhì)低阻區(qū)、絕緣層、原胞、發(fā)射極、集電極、柵極等)，而且按要求連接成回路。各個小的功能區(qū)的厚薄、大小、位置、雜質(zhì)性質(zhì)、雜質(zhì)濃度甚至雜質(zhì)濃度分布如濃度梯度都會給器件性能帶來極大的影響。所有半導(dǎo)體器件(含微電子、集成電路等)設(shè)計和制作就是在硅晶片中做這樣的結(jié)構(gòu)文章。如何去制作不同結(jié)構(gòu)的小區(qū)域(即晶片內(nèi)結(jié)構(gòu))，則需用各種半導(dǎo)體制作工藝(如擴(kuò)散工藝、外延工藝、離子注入工藝、輻照工藝、光刻工藝、溝槽工藝等)及相關(guān)的設(shè)備和工藝條件(如不同級別的原料、輔料及潔凈廠房等)。舉例說來，同是功率半導(dǎo)體器件的可控硅和IGBT芯片結(jié)構(gòu)就大不一樣。可控硅電流再大、電壓再高，只有一個單獨的芯片。IGBT則是利用MOS集成電路工藝，在一個大硅晶片上制成若干個可分割的芯片，每個芯片中又有不少的同樣結(jié)構(gòu)的原胞并聯(lián)組成(見下圖)，然后在封裝時根據(jù)需要把芯片組成回路或把芯片并聯(lián)制成大電流的單管、橋臂等模塊。此例只是兩者芯片內(nèi)結(jié)構(gòu)差異中的一個小例而已，其它差異多得是，不勝枚舉。
　　
　　IGBT的發(fā)展過程
　　
　　IGBT中文名為“絕緣柵雙極型晶體管”，是一種MOS功率器件(MOSFET)和大功率雙極型晶體管(GTR)混合型電力電子器件。它的控制信號輸入是MOS型的，與器件的晶片絕緣(常稱絕緣柵)，利用感應(yīng)原理輸入信號。20世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的MOSFET就是這樣一種輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度高的MOS器件。它的缺點是導(dǎo)通電阻大、電流通過能力受到限制，還有器件承受工作電壓能力也極其有限。當(dāng)人們把MOSFET絕緣柵技術(shù)結(jié)合到大功率雙極型晶體管(GTR)上就出現(xiàn)了面目全新的IGBT，當(dāng)時從原理上論證它應(yīng)該具有電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)、開關(guān)速度快等優(yōu)點。但實際并非如此，甚至*代IGBT在改進(jìn)前實用意義不大。于是從上世紀(jì)八十年代中到本世紀(jì)初這二十年中，IGBT在上述兩者結(jié)合的基礎(chǔ)上走過了六次大改進(jìn)的路程，常稱六代(德國稱四代)。這個過程是很艱苦的，面對的是大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整和工藝上的難題。下表概括了六次改進(jìn)所采取的技術(shù)措施和改進(jìn)后的效果。
　　
　　IGBT技術(shù)改進(jìn)的追求目標(biāo)及效果分析
　　
　　1，減小通態(tài)壓降。達(dá)到增加電流密度、降低通態(tài)功率損耗的目的。
　　
　　2，降低開關(guān)時間，特別是關(guān)斷時間。達(dá)到提高應(yīng)用時使用頻率、降低開關(guān)損耗的目的。
　　
　　3，組成IGBT的大量“原胞”在工作時是并聯(lián)運行，要求每個原胞在工作溫度允許范圍內(nèi)
　　
　　溫度變化時保持壓降一致，達(dá)到均流目的。否則會造成IGBT器件因個別原胞過流損壞而損壞。
　　
　　4，提高斷態(tài)耐壓水平，以滿足應(yīng)用需要。
　　
　　采取哪些技術(shù)改進(jìn)措施
　　
　　在硅晶片上做文章，有很多新技術(shù)、新工藝。IGBT技術(shù)改進(jìn)措施主要有下面幾個方面：
　　
　　1，為了提高工作頻率降低關(guān)斷時間，*代、第二代早期產(chǎn)品曾采用過“輻照”手段，但卻有增加通態(tài)壓降(會增加通態(tài)功耗)的反作用危險。
　　
　　2，*代與第二代由于體內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)本身原因造成“負(fù)溫度系數(shù)”，造成各IGBT原胞通態(tài)壓降不一致，不利于并聯(lián)運行，因此當(dāng)時的IGBT電流做不大。此問題在第四代產(chǎn)品中采用了“透明集電區(qū)技術(shù)”，產(chǎn)生正溫度系數(shù)效果后基本解決了，保證了(四)3中目標(biāo)的實現(xiàn)。
　　
　　3，第二代產(chǎn)品采用“電場中止技術(shù)”，增加一個“緩沖層”，這樣可以用較薄的晶片實現(xiàn)相同的耐壓(擊穿電壓)。因為晶片越薄，,飽和壓降越小，導(dǎo)通功耗越低。此技術(shù)往往在耐壓較高的IGBT上運用效果明顯。耐壓較低的如幾百伏的IGBT產(chǎn)品，晶片本來就薄，再減薄到如100到150微米的話，加工過程極容易損壞晶片。
　　
　　4，第三代產(chǎn)品是把前兩代平面絕緣柵設(shè)計改為溝槽柵結(jié)構(gòu)，即在晶片表面柵極位置垂直刻槽深入晶片制成絕緣柵。柵極面積加大但占用晶片位置減小，增加了柵極密度。工作時增強(qiáng)了電流導(dǎo)通能力，降低了導(dǎo)通壓降。
　　
　　5，第四代非穿通型IGBT(NPT)產(chǎn)品不再采用“外延”技術(shù)，代之以“硼離子注入”方法生成集電極，這就是(五)2中提到的“透明集電區(qū)技術(shù)”。除已提到的產(chǎn)生正溫度系數(shù)、便于并聯(lián)運行的功能外，主要還有：
　　
　　5.1不*輻照技術(shù)去減少關(guān)斷時間，因為“透明集電區(qū)技術(shù)”也有此功能。因此不存在輻照使通態(tài)壓降增加而增加通態(tài)損耗的可能。即(五)1中提到的“危險”。
　　
　　5.2不采用“外延”工藝和“輻照”工藝，可以減低制造成本。
　　
　　6，表中所列的第五、第六代產(chǎn)品是在IGBT經(jīng)歷了上述四次技術(shù)改進(jìn)實踐后對各種技術(shù)措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術(shù)”與“電場中止技術(shù)”的組合。第六代產(chǎn)品是在第五代基礎(chǔ)上改進(jìn)了溝槽柵結(jié)構(gòu)，并以新的面貌出現(xiàn)。
　　
　　請注意表中第五季第六代產(chǎn)品的各項指標(biāo)改進(jìn)十分明顯，尤其是承受工作電壓水平從第四代的3300V提高到6500V，這是一個極大的飛躍。
　　
　　上述幾項改進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在各國產(chǎn)品中普遍采用，只是側(cè)重面有所不同。除此以外，有報道介紹了一些其它技術(shù)措施如：內(nèi)透明集電極、砷摻雜緩沖層、基板薄膜化、軟穿通技術(shù)等。
　　
　　7.1低功率IGBT
　　
　　摩托羅拉、ST半導(dǎo)體、三菱等公司推出低功率IGBT產(chǎn)品，應(yīng)用范圍一般都在600V、1KA、1KHz以上區(qū)域。
　　
　　7.2NPT-IGBT
　　
　　在設(shè)計600—1200V的IGBT時，NPT—IGBT可靠性zui高，正成為IGBT發(fā)展方向。西門子公司可提供600V、1200V、1700V系列產(chǎn)品和6500V高壓IGBT，并推出低飽和壓降DLC型NPT—IGBT，依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出NPT—IGBT及其模塊系列，富士電機(jī)、摩托羅拉等在研制之中。
　　
　　7.3SDB--IGBT
　　
　　三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接鍵合)技術(shù)，在IC生產(chǎn)線上制作第四代高速IGBT及模塊系列產(chǎn)品，特點為高速，低飽和壓降，低拖尾電流，正溫度系數(shù)易于并聯(lián)，在600V和1200V電壓范圍性能優(yōu)良，分為UF、RUF兩大系統(tǒng)。
　　
　　7.4超快速IGBT
　　
　　整流器IR公司研制的超快速IGBT可zui大限度地減少拖尾效應(yīng)，關(guān)斷時間不超過2000ns，采用特殊高能照射分層技術(shù)，關(guān)斷時間可在100ns以下，拖尾更短，重點產(chǎn)品有6種型號。
　　
　　7.5IGBT功率模塊
　　
　　IGBT功率模塊從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM600A/2000V。大電流IGBT模塊，有源器件PEBB采用平面低電感封裝技術(shù)。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)，組裝的PEBB大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點。