IGBT绝缘栅双极晶体管发展简述.pdf

第2期
微处理机
2008年4月
MICROPROCESSORS
Ap-,2008
IGBT绝缘棚双极晶体管发展简述
王树振,单威,宋玲玲2
(1.中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳10032;2.长春理工大学研究生院,长春130022)
摘要:简述了IGBT的发展概况,对比了国内外的发展现状,及国内外产品的技术特点与指
标。同时,还指出了ICBT的优点,研究IGBT的重要性及其发展趋勢。
关键词;绝紫栅双极晶体管;结枃;现状;特点
中图分类号:TN323文献标识码:A文章编号:1002-2279(2008)02-0041-03
Development of IGBT
WANG Shu-zhen,SHAN Wei,SONG Ling-ling
(1. The 47th Research Institute of China Electronics echnology Grow Corporation, Shenyang 110032, Chin
2. Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
Abstract This paper describes the development of IGBT, the actuality in the world, the
characteristic of echnology and target Synchronously, this paper indicates the merit and fundamentality
of IGBT and forecasts the markets developments
Key words: IGBT; Configuration; Actuality; Characteristic
1前言
于研制阶段。与国外相比,ICBT的制造工艺技术至
少落后十年,ICBT的国产化形势相当紧迫。因此,
近年来,随着我国经济的持续快速发展,能源消开展IGBT的研发工作对我国国民经济和国防工业
耗日趋紧张,节约能源是我国的基本国策。据报道,的发展具有十分重要的意义。
全球的电能消耗50%来自电动机。当前,在电动机
驱动系统中,已经从强电控制进人弱电控制的节能2国际、国内现状
时代。新型电力电子器件在该系统中扮演着重要的
ICBT是上世纪80年代初研制成功,并在其性
角色,它是机械自动化、控制智能化的关键部件,是能上,经过几年的不断提高和改进,已成熟地应用于
节约电能的新型半导体器件。因此,大力发展新型高频(20KHz以上)大功率领域。它将 MOSFET的
电力电子器件的设计制造以及模块的开发和应用是电压控制、控制功率小、易于并联、开关速度高的特
节约电能的重要措施。IGBT( Insulate Gate Bipolar点和双极晶体管的电流密度大、电流处理能力强、饱
Transistor)绝缘栅双极晶体管作为新型电力电子器和压降低的特点集中于一身,表现出高耐压、大电
件的代表,是整机系统提高性能指标和节能指标的流、高频率等优越的综合性能。图1和图2分别是
首选产品。它集高频率、高电压、大电流等优点于ー槽栅IGBT结构和单晶片透明集电极NPT-ICBT结
身,是国际上公认的电力电子技术第三次革命的构,两种都是当今世界上流行的先进结构。
最具代表性的产品。
2.1ICBT的技术特点
ICBT主要用于逆变器、低噪音电源、UPS不间
目前,世界上最先进的IGBT结构及技术特点:
断电源以及电动机变频调速等领域。IGBT的用途①NPT-IGBT和 rench-IGBT;②亚微米线条精度
非常广泛,小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁大规模 CMOS IC工艺;⑤薄单晶硅片技术;④背P
炉、微波炉等家用电器,大到电力机车牵引系统都离发射极技术;⑤分层辐照技术。
不开它。ICBT在军事机载、舰载、雷达等随动系统2.2IGBT的发展背景
中也有广泛的用途。目前,国内IGBT产品依赖进
1982年美国RCA公司和CE公司先后发明了
口。国外IGBT产品已大量生产,而国内 IGBT还处ICBT。设计者很巧妙地将 VDMOS的N衬底换成
作者简介:王树振(1959-),男,山东省乳山县人,硕士研究生,主研方向;半导体器件及集成电路研制工作。
收稿日期:2007-04-27
万方数据
42
徵处理机
2008年
P'村底,引入PN结注入机制,使高阻N漂移区产出1200V的NPT(非穿通型)-IGBT后,于1999年
生电导调制效应,大大降低了导通电阻。在 VDMOS推出600V50A的NPT-ICBT,其通态压降为
的基础上,进行这一小的变动就形成了MOS、双极2.1V。关断时间为30ns,NPT-IGBT的出现是功
相结合的IGBT,导通电阻的降低加上MOS、双极双率场控器件技术上的重大突破。1998年日本公司
电流通道使IGBT的电流密度很高,具备了MOS和推出600 V Trench(沟槽栅)-ICBT,其典型通态
双极的双重优点。
压降1,8V,关断时间0.15u。1998年由日本人提
G
出SDB(硅片直接键合)--IGBT,随后美国飞兆半
导体公司( Fairchild semiconductor)推出小功率SDB
IGBT投放市场。1999年IXYS公司推出了
1600V/40ACS(集电极短路)ー-ICBT,其关断时
间小于200ns。近年来,美国飞兆半导体公司又推
出1000V/6 OA NPT- Trench-ICBT,其通态压降
2.5V,关断时间130ns,专为H电饭煲、电磁炉、微
波炉应用而设计,满足最新的节能标准。快速IGBT
已应用到了150KHz~180KHz的频率范围(如美国
Intersil公司的 SMPS IGBT系列和R公司的
WARPZTM IGBT系列)。IGBT模块的研究也很活
跃,ICBT模块多以超大功率IGBT模块和ICBT
图1橋IGBT
图2NPT-IGBT
IPM智能功率模块为主。IGBT-IPM是以ICBT芯
然而,早期的IGBT还不能使用,当时器件存在片为基体内含接口、传感、保护和功率控制等功能电
两个主要问题:①器件内部寄生了PNPN晶闸管结路的智能功率模块,其外型封装及单元电路分别见
构,使器件产生闭锁效应,从而导致栅失去控制能图3和图4。
カ。②由于N漂移区存在非平衡载流子的注入,
在器件关断时,有一个较长时间的拖尾电流,影响了
器件的开关速度。这两个问题都是引人PN结注入
机制所带来的。后来经过几年的努力,从结构和工
艺上采用了以下技术:①P阱区两步扩散技术;②加
人N'缓冲层技术;③N漂移区少子寿命控制技术;
④元胞设计技术。
图3模块封装(日本三菱公司的ICBT-PM)
采用以上技术后,解决了上述问题。1986年,
ICBT得到了真正的应用。此后,为了进一步改善
ICBT的性能,提高ICBT的电流容量、功率容量和开
IGBT
关速度,降低IGBT的通态损耗和开关损耗,人们一
直致力于改善IGBT两个重要的、相互矛盾的参数,
“n
即通态压降V。a(和关断时间tar。从IGBT结构的
保主
三