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IGBT:平面型與溝槽型結構特性詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2021-10-13 

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IGBT:平面型與溝槽型結構特性詳解-KIA MOS管


平面型與溝槽型IGBT

很多讀者第一次接觸到這兩個名詞的時候,可能會顧名思義地認為,平面型IGBT的電流就是水平流動的,而溝槽柵IGBT的電流就是在垂直方向上流動的。


其實這是一個誤解,不論平面型還是溝槽型的IGBT,電流都是在垂直方向上流動的。


甚至于推而廣之,不論IGBT,MOSFET,還是晶閘管,功率二極管,所有我們所熟悉的電力電子器件,為了滿足耐壓的要求,都會讓電流豎直流動。


對IGBT來說,空穴電流是從背面的集電極collector,流向正面的發射極emitter;電子電流從emitter出發,經過表面反型溝道,流向背面的collector,如圖1所示。


IGBT 平面型 溝槽型

圖1:IGBT中的電流方向


溝槽型IGBT相比于平面型IGBT,能在不增加關斷損耗的前提下,大幅度地降低導通壓降。溝槽柵是如何做到的呢?它有三個“絕招”:消除了JFET效應,溝道密度增加及近表面載流子濃度增加。


消除JFET效應

溝槽柵結構與平面柵極結構的主要區別在于,當IGBT開通時,P型發射區的反型溝道是垂直的而不是水平的。


IGBT 平面型 溝槽型

圖2:平面型及溝槽型IGBT中反型溝道示意圖


在平面柵IGBT中,正向導通時,P阱與n-漂移區形成的PN結處于輕微的反向偏置狀態,因而會形成有一定寬度的空間電荷區,它擠占了一定的空間,因此電流只能從一個相對較窄的空間流過,增大了電流通路上的阻抗。


IGBT 平面型 溝槽型

圖3:平面型IGBT中的JFET效應


因此,在平面柵IGBT中,在電子流通方向上,包含溝道電阻Rkanal,JFET電阻RJFET,與漂移區電阻Rn-。而溝槽型IGBT,因為溝道垂直,消滅了JFET區域,因而整個電流通路上阻抗更低。


IGBT 平面型 溝槽型

圖4:平面及溝槽IGBT導通阻抗對比


近表面層載流子濃度增加

對于平面柵極的IGBT,載流子的濃度從集電極到發射極之間逐步降低。


新一代IGBT的設計目標是保持集電極到發射極之間的載流子濃度均勻分布,最好是逐步增加,這樣可以進一步降低導通損耗,而不會影響拖尾電流和關斷損耗。


下圖是三種不同結構的IGBT漂移區中載流子濃度分布,我們可以看到,在靠近emitter的位置,溝槽型IGBT載流子濃度遠高于平面型IGBT。


因此,在溝槽型IGBT 中,適當的溝槽寬度與間距可以提高N-區近表面層的載流子濃度,從而減小漂移區電阻Rn-。


IGBT 平面型 溝槽型

圖5:IGBT中載流子濃度分布


溝道密度增加溝道密度增加

溝道密度增加

相比于平面柵極IGBT,溝槽IGBT的垂直結構省去了在硅表面上制作導電溝道的面積,更有利于設計緊湊的元胞。


即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞,從而增加導電溝道的寬度,降低溝道電阻。


在溝槽型IGBT迅猛崛起的今天,平面型IGBT依然有其一席之地。這是因為溝槽型IGBT依然有不少缺點有待克服。


1)挖出表面光滑的槽壁技術難度大

一般溝槽柵IGBT的溝槽寬度僅有1~2um,而深度要達到4、5um甚至更深。


在硅表面挖槽靠的是酸腐蝕的方法,精確控制溝槽的寬度和深度是一件很有難度的事情。同時,溝槽壁要盡可能的光滑與少缺陷,因為不光滑的表面會影響擊穿電壓,降低生產成品率。


而且,溝槽底部的倒角也要做得非常圓潤,否則電場會在這里集中,嚴重影響耐壓。由此可見溝槽IGBT比平面IGBT工藝難度要高得多。


2)較寬的導電溝道會增加IGBT短路時的電流

溝槽型IGBT溝道密度高,它在降低溝道電阻的同時,相應的缺點就是會提高短路電流。


最不利的情況就是,短路電流可能會很大,以至于非常短時間內就損壞IGBT。


為了使得IGBT具有10μs的短路能力(給定的測試條件下),需要非常小心的設計溝道寬度及相鄰的元胞,比如增大元胞的間距,使單個晶元上有效元胞的數量減少。


另外一種方法是不要把所有的柵極接到公共柵極,而是把一些單元的柵極和發射極直接短路。后者稱為插入合并單元工藝。


通過上述工藝,能夠降低溝道密度,從而降低短路電流,增強器件短路能力。




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