电的发现是人类历史的革命，由它产生的动能每天都在源源不断的释放，人对电的需求不亚于人类世界的氧气，如果没有电，人类的文明还会在黑暗中探索。
然而在电力电子里面，最重要的一个元件就是IGBT。没有IGBT就不会有高铁的便捷生活。
一说起IGBT，半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样，是国家“02专项”的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品，已经全面取代了传统的Power mosFET，其应用非常广泛，小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的“CPU”，长期以来，该产品(包括芯片)还是被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中的第二位(简称 “02专项”)。
究竟IGBT是何方神圣?让我们一起来学习它的理论吧。
1、何为IGBT?
IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管。奇怪吧，它到底是MOSFET还是BJT?其实都不是又都是。不绕圈子了，他就是MOSFET和BJT的组合体。
我在前面讲MOSFET和BJT的时候提到过他们的优缺点，MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱 动电流会比MOSFET大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。
所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
2、传统的功率MOSFET
为了等一下便于理解IGBT，我还是先讲下Power MOSFET的结构。所谓功率MOS就是要承受大功率，换言之也就是高电压、大电流。我们结合一般的低压MOSFET来讲解如何改变结构实现高压、大电流。
1)高电压：一般的MOSFET如果Drain的高电压，很容易导致器件击穿，而一般击穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解决高压问题必须堵死这三端。Gate端只能靠场氧垫在Gate下面隔离与漏的距离(Field-Plate)，而Bulk端的PN结击穿只能靠降低PN结两边的浓度，而最讨厌的是到Source端，它则需要一个长长的漂移区来作为漏极串联电阻分压，使得电压都降在漂移区上就可以了。
2) 大电流：一般的MOSFET的沟道长度有Poly CD决定，而功率MOSFET的沟道是靠两次扩散的结深差来控制，所以只要process稳定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的电流取决于W/L，所以如果要获得大电流，只需要提高W就可以了。
所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。虽然这样的器件能够实现大功率要求，可是它依然有它固有的缺点，由于它的源、栅、漏三端都在表面，所以漏极与源极需要拉的很长，太浪费芯片面积。而且由于器件在表面则器件与器件之间如果要并联则复杂性增加而且需要隔离。所以后来发展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏极统一放到Wafer背面去了，这样漏极和源极的漂移区长度完全可以通过背面减薄来控制，而且这样的结构更利于管子之间的并联结构实现大功率化。但是在BCD的工艺中还是的利用LDMOS结构，为了与CMOS兼容。
再给大家讲一下VDMOS的发展及演变吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通过背面减薄、Implant、金属蒸发制作出来的(如下图)，他就是传说中的Planar VDMOS，它和传统的LDMOS比挑战在于背面工艺。但是它的好处是正面的工艺与传统CMOS工艺兼容，所以它还是有生命力的。但是这种结构的缺点在于它沟道是横在表面的，面积利用率还是不够高。
再后来为了克服Planar DMOS带来的缺点，所以发展了VMOS和UMOS结构。他们的做法是在Wafer表面挖一个槽，把管子的沟道从原来的Planar变成了沿着槽壁的 vertical，果然是个聪明的想法。但是一个馅饼总是会搭配一个陷阱(IC制造总是在不断trade-off)，这样的结构天生的缺点是槽太深容易电 场集中而导致击穿，而且工艺难度和成本都很高，且槽的底部必须绝对rouding，否则很容易击穿或者产生应力的晶格缺陷。但是它的优点是晶饱数量比原来多很多，所以可以实现更多的晶体管并联，比较适合低电压大电流的application。
还有一个经典的东西叫做CoolMOS，大家自己google学习吧。他应该算是Power MOS撑电压最高的了，可以到1000V。
3、IGBT的结构和原理
上面介绍了Power MOSFET，而IGBT其实本质上还是一个场效应晶体管，从结构上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏电极增加了一个P+层，我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET，它依然是单一载流子(多子)导电，所以我们还没有发挥出它的极致性能。
所以后来发展出一个新的结 构，我们如何能够在Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗?所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection layer (这就是名字的由来)，而从结构上漏端就多了一个P+/N-drift的PN结，不过他是正偏的，所以它不影响导通反而增加了空穴注入效应，所以它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电。所以原来的source就变成了Emitter，而Drain就变成了Collector了。
从上面结构以及右边的等效电路图看出，它有两个等效的BJT背靠背链接起来的，它其实就是PNPN的Thyristor(晶闸管)，这个东西不是我们刻意做的，而是结构生成的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就说了，这样的结构最要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs，只要满足α1+α2<1就可以了。
另外，这样的结构好处是提高了电流驱动能力，但坏处是当器件关断时，沟道很快关断没有了多子电流，可是Collector (Drain)端这边还继续有少子空穴注入，所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current)，影响了器件的关断时间及工作频率。这个可是开关器件的大忌啊，所以又引入了一个结构在P+与N-drift之间加入N+buffer层，这一层的作用就是让器件在关断的时候，从Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer层就被复合掉提高关断频率，我们称这种结构为PT-IGBT (Punch Through型)，而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBT。
一般情况下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少)，而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入较多而导致的三极管基区调制效应明显)，而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss)，所以如果需要同样的Vce(sat)，则NPT必须要增加drift厚度，所以Ron就增大了。
4、IGBT的制造工艺：
IGBT的制程正面和标准BCD的LDMOS没差，只是背面比较难搞：
1) 背面减薄：一般要求6~8mil，这个厚度很难磨了，容易碎片。
2) 背面注入：都磨到6~8mil了，还要打High current P+ implant >E14的dose，很容易碎片的，必须有专门的设备dedicate。甚至第四代有两次Hi-current注入，更是挑战极限了。
3) 背面清洗：这个一般的SEZ就可以。
4) 背面金属化：这个只能用金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。
5) 背面Alloy：主要考虑wafer太薄了，容易翘曲碎片。
5、IGBT的新技术：
1) 场截止FS-IGBT：不管PT还是NPT结 构都不能最终满足无限high power的要求，要做到high power，就必须要降低Vce(sat)，也就是降低Ron。所以必须要降低N-drift厚度，可是这个N-drift厚度又受到截止状态的电场约束 (太薄了容易channel穿通)。所以如果要向降低drift厚度，必须要让截止电场到沟道前提前降下来。所以需要在P+ injection layer与N-drift之间引入一个N+场截止层(Field Stop, FS)，当IGBT处于关闭状态，电场在截止层内迅速降低到0，达到终止的目的，所以我们就可以进一步降低N-drift厚度达到降低Ron和Vce了。 而且这个结构和N+ buffer结构非常类似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制关闭状态下的tailing电流提高关闭速度。
问题来了，这和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里?其实之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EPI做出来的，它是在P+ 衬底上长第一层~10um的N+ buffer，然后再长第二层~100um的N-Drift。这个cost很高啊!而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基础上直接背面 打入高浓度的N+截止层就好了，成本比较低，但是挑战是更薄的厚度下如何实现不碎片。
2) 阳极短接(SA: Shorted-Anode)：它 的结构是N+集电极间歇插入P+集电极，这样N+集电极直接接触场截止层并用作PN二极管的阴极，而P+还继续做它的FS-IGBT的集电极，它具有增强的电流特性且改变了成本结构，因为不需要共封装反并联二极管了。实验证明，它可以提高饱和电流，降低饱和压降(~12%)。
6、IGBT的主要I-V特性：
IGBT你既可以把它当做一个MOSFET与PiN二极管串联，也可以当做是一个宽基区的PNP被MOSFET驱动(DarlinGTOn结构)， 前者可以用来理解它的特性，后者才是他的原理。它看起来就是一个MOSFET的I-V曲线往后挪了一段(>0.7V)，因为沟道开启产生电流必须满足漂移区电流与漂移区电阻乘积超过0.7V，才能使得P+衬底与N-drift的PN结正向导通，这样才可以work，否则沟道开启也不能work的。
最后给大家吹吹牛吧，大家经常会听到第一代IGBT一直到第六代IGBT，这些是什么意思呢?
1) 第一代：他就是IGBT的雏形，最简单的原理结构图那种，所以他必须要提高N-drift来提高耐压，所以导通电阻和关断功耗都比较高，所以没有普及使用。
2) 第二代：PT-IGBT，由于耗尽层不能穿透N+缓冲层，所以基区电场加强呈梯形分布，所以可以减小芯片厚度从而减小功耗。这主要是西门子公司1990~1995年的产品BSM150GB120DN1("DN1"就是第一代的意思)。它主要在600V上有优势(类似GTR特性)，到1200V的时候遇到外延厚度大成本高、且可靠性低的问题(掺杂浓度以及厚度的均匀性差)。
3)第三代：NPT-IGBT，不再采用外延技术，而是采用离子注入的技术来生成P+集电极(透明集电极技术)，可以精准的控制结深而控制发射效率尽可能低，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，可以保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗，同时具有正温度系数特点，所以技术比较成熟在稳态损耗和关断损耗间取得了很好的折中，所以被广泛采用。代表公司依然是西门子公司率先采用FZ(区熔法)代替外延的批量产品，代表产品BSM200GB120DN2，VCE>1200V, Vce(sat)=2.1V。
4)第四代：Trench-IGBT，最大的改进是采用Trench结构，是的沟道从表面跑到了垂直面上，所以基区的PIN效应增强，栅极附近载流子浓度增大，从而提高了电导调制效应减小了导通电阻，同时由于沟道不在表面，所以消除了JFET效应，所以栅极密度增加不受限制，而且在第四代IGBT继续沿用了第三代的集电极P+implant技术同时加入了第二代的PT技术作为场终止层，有效特高耐压能力等。需要使用双注入技术，难度较大。这个时候是英飞凌的时代 了，Infineon的减薄技术世界第一，它的厚度在1200V的时候可以降低到120um~140um(NPT-IGBT需要200um)，甚至在600V可以降低到70um。
5)第五代：FS-IGBT和第六代的FS-Trench，第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构，并以新的面貌出现。
目前我国的总体能源利用效率为33%左右，比发达国家低约10个百分点。当前我国节能工作面临较大压力。
根据“十一五规划”要求，到2010年中国的能源使用效率将在2005年基础上提高20%。在新能源领域，中国已成为太阳能电池生产的第一大国，风力发电的累计装机容量也连续4年实现翻番，这意味着中国新能源市场蕴藏着巨大的商机。无论是太阳能电池、风力发电还是新能源汽车，其系统应用都需要把直流电转换为交流电，承担这一任务的部件称为逆变器。逆变器的核心器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，也是价格最高的部件之一，在国外，IGBT技术及产品不断更新换代，而我国目前还不具备大批量生产IGBT的能力，主要都是珠海南车、北车生产的用于高铁的IGBT技术，还有华润微电子(想收购Fairchild)，还有华宏宏力貌似也有，现在国家重点扶持8寸的IGBT技术。
来源：芯愿网
知乎精选：IGBT是什么？都在哪里有应用?
从功能上来说，IGBT就是一个电路开关，用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。（相对而言，手机、电脑电路板上跑的电电压低，以传输信号为主，都属于弱电。）可以认为就是一个晶体管，电压电流超大而已。
家里的电灯开关是用按钮控制的。IGBT不用机械按钮，它是由计算机控制的。具体点说，IGBT的简化模型有3个接口，有两个（集电极、发射极）接在强电电路上，还有一个接收控制电信号，叫作门极。给门极一个高电平信号，开关（集电极与发射极之间）就通了；再给低电平信号，开关就断了。给门极的信号是数字信号（即只有高和低两种状态），电压很低，属于弱电，只要经过一个比较简单的驱动电路就可以和计算机相连。实际用的“计算机”通常是叫作DSP的微处理器，擅长处理数字信号，比较小巧。
这种可以用数字信号控制的强电开关还有很多种。作为其中的一员，IGBT的特点是，在它这个电流电压等级下，它支持的开关速度是最高的，一秒钟可以开关几万次。GTO以前也用在轨道交通列车上，但是GTO开关速度低，损耗大，现在只有在最大电压电流超过IGBT承受范围才使用；IGCT本质上也是GTO，不过结构做了优化，开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间；大功率MOSFET快是快，但不能支持这么大的电压电流，否则会烧掉。
要这么快的开关干什么用？常见的强电只有50Hz的交流电，变压器能变它的电压，但是不能改变它的频率，不能把它变成直流。而有了IGBT这种开关，就可以设计出一类电路，通过计算机控制IGBT，把电源侧的交流电变成给定电压的直流电，或是把各种电变成所需频率的交流电，给负载使用。这类电路统称变换器。把交流电变成直流电的电路叫做整流器；把直流电变成交流电的叫做逆变器；直流变直流的叫开关电源；三相交流变交流的叫矩阵变换器。
怎么实现的？需要讲一下PWM的概念，这里我可能说的不是很清楚。题主见没见过家里的照明灯接触不良的时候快速闪烁？闪烁的灯看起来没有正常的灯亮吧？这是因为闪烁的灯亮0.1秒，又灭0.1秒，总共0.2秒的时间内它只发出了正常灯0.1秒的光能，所以显得暗。强电本质上是传输电能，所以也可以利用这个原理。如果用电器内的电流几乎不变，用电器前0.2秒接了300V的电压，后0.1秒接了0V的电压，那在0.3秒内，它就等效于用电器两端始终接着200V的电压。我们管这个只持续0.2秒的300V电压叫脉冲，通过改脉冲在0.3秒内占据的时间，就可以实现等效电压在这个时刻内成为0~300V内的任何一个值，即所谓的脉宽调制（PWM）。电压一高一低变化的总时间越短，从宏观上看电压越接近等效电压。
维基百科日文的一张图，图示了通过PWM，得到不同电压直流电的方法。
维基百科日文的一张图，图示了通过PWM，得到不同电压、频率的交流电的方法。
当然你会问开关都断开了，为啥用电器里的电流几乎不变，那是因为开关不是直接和用电器串联的。实际的变换器电路会稍有些复杂，开关断开时，有另一条电路会自动启用，保证电流是连续的。（也有反过来的电路，开关断开时反而从电源给用电器供电，合上时不从电源供电。）要是没学过电容电感和二极管的话，知道有这么回事儿就可以了……
总之，我现在有了电压、频率都受我控制的强电了。这个强电就可以用来驱动高铁的电机。现在高铁使用的都是交流电机，它结构简单且省电，但是转速很难调整。好在它的转速和输入交流电源的频率有很密切的关系，所以就可以用使用IGBT的变换器搞出电压、频率受控的强电，来灵活控制电机的转速。反映到高铁上，就是高铁列车的车速。这就是所谓的变压变频控制（VVVF）。
除了高铁，像电动汽车、变频空调、风力发电机等很多用到交流电机的场合，都用得到IGBT及配套的这类电路来控制电机。太阳能电厂、电力储能等领域，主要用IGBT进行交流电、直流电之间的转换。
声明：本文转载自智中国半导体论坛，知乎等。版权归原作者所有。转载的目的在于传递更多信息，并不代表本公众号对其内容负责或支持其观点。如有侵权，请第一时间联系我们删除。
1.《半导体知识讲解：IGBT是个啥？》援引自互联网，旨在传递更多网络信息知识，仅代表作者本人观点，与本网站无关，侵删请联系页脚下方联系方式。
2.《半导体知识讲解：IGBT是个啥？》仅供读者参考，本网站未对该内容进行证实，对其原创性、真实性、完整性、及时性不作任何保证。
3.文章转载时请保留本站内容来源地址，https://www.lu-xu.com/fangchan/23214.html