IGBT的結構多種多樣,但從縱向結構來看可歸為穿通型,非穿通型。這兩類IGBT的劃分依據為:臨界擊穿電壓下P base-N drift結耗盡層的擴展是否穿透了N-基區。本文將對IGBT的縱向結構區別做進一步的歸納與分析。
1.出現年代
PT(punch through):最“古老”的IGBT技術,在1980~1990年間占據主導地位,英飛凌第一代IGBT就是采用的PT技術。
NPT(non-punch through):NPT-IGBT由德國西門子公司于1987年推出,為上世紀90年代的主流產品。英飛凌第二代IGBT采用NPT技術。
FS(field stop):2000年,西門子公司研制出新的IGBT結構,fieldstop-IGBT(FS-IGBT),它同時具有PT-IGBT和NPT-IGBT的優點,至今一直居于主導地位。英飛凌第三代及以后的IGBT,均采用了FS技術。

2.電場分布
當IGBT門極接低電平時,IGBT截止,集電極與發射極之間的電壓將由J2承擔,此時J2結反偏。這個PN結會擴展形成空間電荷區,因為N-區域低摻雜的特性,空間電荷區將主要在N-區域內擴展。

PT和FS:這兩種IGBT結構中存在一層濃度較高的N+ buffer層,因而電場在N-基區衰減較慢,而在N+ buffer層衰減較快,電場呈梯形分布。

NPT:電場以單一速率在N-基區中衰減,呈三角形分布。

3.生產工藝
PT:以高濃度的P+直拉單晶硅為起始材料,先生長一層摻雜濃度較高的N型緩沖層(N-buffer層),然后再繼續淀積輕摻雜的N型外延層作為IGBT的漂移區,之后再在N型外延層的表面形成P-base、N+ source作為元胞,最后根據需要減薄P型襯底。如果要制作1200V或1700V耐壓的產品,需要比較厚的N-外延層,制作難度較大,且成本很高。

NPT:采用輕摻雜N- 區熔單晶硅作為起始材料,先在硅面的正面制作元胞并用鈍化層保護好,之后再將硅片減薄到合適厚度。最后在減薄的硅片背面注入硼,形成P+ collector, 激活雜質后再淀積金屬鋁。區熔單晶硅成本大約為外延片的50%。

FS: FS IGBT 工藝與NPT類似,都是以輕摻雜N- 區熔單晶硅作為起始材料,完成正面元胞制作之后再進行背面工藝。不同的是,FS IGBT在硅片減薄之后,首先在硅片的背面注入磷,形成N+ buffer, 最后注入硼,形成P+ collector, 激活雜質后再淀積金屬鋁。FS相對于NPT 而言,背面增加了N型注入、硅片更薄,硅片在加工過程中的碎片率上升。更薄的N-區電阻小,使VCESAT更低;更薄N-層導通時存儲的過剩載流子總量少,使關斷時間及關斷損耗減少。

4.發射極效率
PT:為了保證器件導通電阻不致太高,必須將背發射區的濃度設得足夠高以提高電導率,這就導致了背面PN結有極高的注入效率。PT IGBT結構的優點在于:器件導通時,高的發射極效率可使大量空穴迅速地從背面注入到N-基區中,同時電子流經器件表面反型溝道注入到N-基區中,這樣在基區可形成很好的電導調制,使通態壓降很低。
NPT(FS):與PT-IGBT相比,NPT(FS)-IGBT的背P+發射區極薄且摻雜濃度相對較低,所以NPT-IGBT背發射區注入效率比PT-IGBT低得多。雖然NPT(FS)-IGBT背發射極注入效率較低且基區較寬,但由于基區少子壽命很長,使得基區載流子電導調制效應更加顯著,NPT型IGBT的飽和壓降并不比PT高。
FS:FS-IGBT具有N+緩沖層,從而所需的N-基區較薄,這一點類似于PT-IGBT, 同時FS-IGBT具有較低的背P+發射效率,這一點類似于NPT-IGBT。
5.拖尾電流
PT:PT-IGBT結構中高濃度厚發射區的存在一方面增大了發射效率,增加了基區存儲過剩載流子數目,另一方面器件關斷時,空穴無法從背P+區流出而只能在n-基區靠自身復合而消失,導致明顯的拖尾電流,從而延緩器件的關斷,關斷時間的加長導致了器件關斷損耗的增加。因此,為了改善PT-IGBT的關斷速度,通常需要引入少子壽命控制技術。常用的少子控制技術有:電子輻照,重金屬摻雜,質子輻照等。但在改善開關特性的同時,往往會引入器件參數漂移、特性退化、穩定性差等問題。
NPT:在NPT-IGBT中,因為背發射極電流中電子流成分很大,器件關斷時,基區存儲的大量電子可以通過流向背發射區而很快清除掉,空穴可以迅速流向P阱,所以拖尾電流小,開關損耗小,因此不需要少子壽命控制技術。另外NPT型IGBT有一個突出優點就是器件關斷時拖尾電流隨溫度變化很小,器件的可靠性很高。
FS:FS相對于NPT,拖尾電流持續時間更短。這是因為反向電壓恢復到直流母線電壓時,P+N結耗盡層已經擴展到FS層或接近FS層,尚未被抽出的過剩載流子就很少了。所以FS具有NPT的優點而功耗更小。
6.溫度系數
PT:很大的電流范圍內是負溫度系數。PT-IGBT在室溫下載流子的壽命較短,但隨著溫度的升高而變長,載流子的濃度升高,即等效電阻隨溫度的升高而下降。即正向壓降Uce減小。
NPT,FS:很大的電流范圍內是正溫度系數。NPT-IGBT中,載流子壽命較長,溫度的增加對載流子增加影響很小。在這種情況下,隨著溫度升高,降低的載流子遷移率u和增加的集電極及發射極的接觸電阻成為影響導通壓降的主要因素。在非常低的正向電流時,NPT IGBT也表現為負溫度系數,當電流稍微增大時,IGBT就轉化為正溫度系數。因此,在實際應用中,可以認為NPT-IGBT具有正的溫度系數。(英飛凌igbt廠家)
總結
綜上所述,PT, NPT,FS 型IGBT主要區別可以歸納為下表:
