IGBT发展简史

jupitars · 发表于 2021-6-3 09:10:20

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[paragraph]IGBT 1234567，看这一篇就够了~
话说公元2018年，IGBT江湖惊现第六代和第七代的掌门人，一时风头无两，各路吃瓜群众纷纷猜测二位英雄的出身来历。不禁有好事者梳理了一下英家这些年，独领风骚的数代当家掌门人，分别是：

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呃，好像分不清这都谁是谁？

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呃，虽然这些IGBT“掌门人”表面看起来都一样，但都是闷骚型的。只能脱了衣服，做个“芯”脏手术。。。
像这样，在芯片上，横着切一刀看看。

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好像，有点不一样了。。。
故事，就从这儿说起吧。。。
史前时代-PT

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PT是最初代的IGBT，它使用重掺杂的P+衬底作为起始层，在此之上依次生长N+ buffer， N- base外延，最后在外延层表面形成元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个N-base区而得名。它工艺复杂，成本高，而且需要载流子寿命控制，饱和压降呈负温度系数，不利于并联，虽然在上世纪80年代一度呼风唤雨，但在80年代后期逐渐被NPT取代，目前已归隐江湖，不问世事，英飞凌目前所有的IGBT产品均不使用PT技术。
初代盟主——IGBT2

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· 特征：平面栅，非穿通结构（NPT）
NPT-IGBT于1987年出山，很快在90年代成为江湖霸主。NPT与PT不同在于，它使用低掺杂的N-衬底作为起始层，先在N-漂移区的正面做成MOS结构，然后用研磨减薄工艺从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成P+ collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区，因此称为“非穿通”型IGBT。NPT不需要载流子寿命控制，但它的缺点在于，如果需要更高的电压阻断能力，势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层，这意味着饱和导通电压Vce（sat）也会随之上升，从而大幅增加器件的损耗与温升。
· 技能：低饱和压降，正温度系数，125℃工作结温，高鲁棒性
正温度系数，利于并联。
· 名号：DLC，KF2C，S4…
等等，好像混进了什么奇怪的东西！
没写错！S4真的不是IGBT4，它是根正苗红的IGBT2，适用于高频开关应用，硬开关工作频率可达40kHz。这一明星产品，至今销路仍然不错。
性能飞跃--IGBT3

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· 特征：沟槽栅，场截止（Field Stop）
IGBT3的出现，又在IGBT江湖上掀起了一场巨大的变革。IGBT3的元胞结构从平面型变成了沟槽型。沟槽型IGBT中，电子沟道垂直于硅片表面，消除了JFET结构，增加了表面沟道密度，提高近表面载流子浓度，从而使性能更加优化。（平面栅与沟槽栅技术的区别可以参考文章“平面型与沟槽型IGBT结构浅析”）。
纵向结构方面，为了缓解阻断电压与饱和压降之间的矛盾，英家于2000年推出了Field Stop IGBT，目标在于尽量减少漂移区厚度，从而降低饱和电压。场截止（Field Stop）IGBT起始材料和NPT相同，都是低掺杂的N-衬底，不同在于FS IGBT背面多注入了一个N buffer层，它的掺杂浓度略高于N-衬底，因此可以迅速降低电场强度，使整体电场呈梯形，从而使所需的N-漂移区厚度大大减小。此外，N buffer还可以降低P发射极的发射效率，从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。（了解更多NPT与场截止器件的区别请参考：PT，NPT，FS型IGBT的区别）。
· 技能：低导通压降，125℃工作结温（600V器件为150℃），开关性能优化
得益于场截止以及沟槽型元胞，IGBT3的通态压降更低，典型的Vce（sat）从第2代的典型的3.4到第3代的2.55V（3300V为例）。
· 名号：T3，E3，L3
IGBT3在中低压领域基本已经被IGBT4取代，但在高压领域依然占主导地位，比如3300V，4500V，6500V的主流产品仍然在使用IGBT3技术。