IGBT结构详解
IGBT的结构如图1所示。
①N+Source region:源区、扩散源区、发射区,与发射极相连,等效于VMOS的源极(参见图2)、NPN管的发射极。
②P+Body region:扩散型P阱(P型区),在N型单晶硅的衬底上扩散生成。
③N-Drift region:N-基区、漂移区、基区、高阻N-区,等效于VMOS管的漏极、PNP管的基极。此区域决定了IGBT的饱和压降和电压等级,也是影响IGBT开关速度的主要区域。
④N十Buffer layer:缓冲区、(高阻)外延层、N+缓冲层,其作用是降低N-漂移区的厚度,以减小饱和压降和缩短开关时间。不是所有的IGBT芯片都有此区。
⑤P十Inj ecting layer:Drain injecting region、漏注人区、背发射区、P+背发射区、集电区、P十衬底,等效于PNP管的发射极。此区是IGBT的衬底,即底层。
④、⑤合在一起,也称为集电区(Collector bulk region)。
①、②、③、④以单晶硅为基础,用外延法生成,因此称为外延层,也是IGBT的工作层。
③、④又称为掺杂区,其厚度和掺杂程度决定了器件的电压等级和饱和压降。若要提高电压等级,则需要这个区域厚一些,掺杂浓度低一些;若而要降低饱和降压,而需要采取相反的措施,即掺杂区薄一些,掺杂浓度要高一些。
说“IGBT是P-N-P-N 4层结构的器件”,指的是①、②、③、⑤,不包含N+缓冲区。
J1、J2、J3表示的是PN结,又称为空间电荷区,基本不含载流子,主要由不能移动的空间电荷组成。因此又称为“耗尽层”,意思是能够移动的载流子(电子或空穴)都被耗尽了。P型半导体侧靠近PN结的区域的空间电荷是负离子,N型半导体侧靠近PN结的区域的空间电荷是正离子。
IGBT与BJT均被称为多子器件,这是因为二者的导电既有电子的迁移,又有空穴的注入。二者不同之处在于,BJT中电子的迁移需要以空穴注入为触发条件,空穴的注入量控制着电子迁移量,故BJT的导电需要维持空穴的注人,需要比较大的驱动功率;IGBT中电子的迁移与空穴的注入是依靠电场来维持的,二者是同时而且是相向而行的,故IGBT的驱动仅需要一个驱动电压而已(以维持电场的存在)。
VMOS则被称为少子器件,因为它的导电仅依靠电子的迁移。
三者的导电原理可以用图3来形象地说明。由于中止空穴的注入需要能量与时间,所以BJT与IGBT的开关速度均没有VMOS快。
BJT中的电子迁移与空穴注入的方向相同,只有中止空穴的注入才能中止电子的迁移,既需要能量又需要时间,因此在大电流工作状态下,速度明显没有IGBT快。
IGBT中电子迁移与空穴注入也可以理解为二者的中和,无论是电子的迁移路径还是空穴的注入,路径均比较短,单位时间内的载流子(电子迁移与空穴注入的总和)通过量比较大,所以IGBT的电流规格能够做得比较高。