IGBT（绝缘栅双极晶体管）发展史简述

1 前言

西安易恩电气科技有限公司致力于电力半导体器件测试方案供应，主要产品有IGBT动静态特性参数测试系统，IPM特性参数测试系统，半导体分立器件测试系统，雪崩耐量测试系统，浪涌测试系统，热阻测试系统，可控硅参数测试仪，MOS管参数测试仪等。

编写此文，以供各位行业同仁参考阅读。

近年来，随着我国经济的持续快速发展， 能源消耗日趋紧张，节约能源是我国的基本国策。据 道，的电能消耗 50％来 自电动机。当前，在电动机驱动系统中，已经从强电控制进人弱电控制的节能时代。新型电力电子器件在该系统中扮演着重要的角色，它是机械自动化，控制智能化的关键部件，是节约电能的新型半导体器件。因此，大力发展新型电力电子器件的设计制造以及模块的开发和应用是节约电能的重要措施 。IGBT作为新型电力电子器件的代表，是整机系统提高性能指标和节能指标的产品。它集高频率 、高电压 、 大电流等优点于一 身，是上公认的电力电子技术第三次革命的代表性的产品。

I GBT主要用于逆变器 、低 噪音电源 、UPS不间断电源以及电动机变频调速等领域。I GBT的用途非常广泛，小到变频空调 、静音冰箱 、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器，大到电力机车牵引系统都离不开它。I GBT在机载 、舰载 、 雷达等随动系统中也有广泛 的用途。

2 、国内现状

IGBT是上世纪 80年代初研制成功，并在其性能上，经过几年的不断提高和改进，已成熟地应用于高频(20KHz以上)大功率领域。它将 MOSFET的电压控制、控制功率小 、 易于并联、开关速度高的特点和双极晶体管的电流密度大、电流处理能力强、饱和压降低的特点集中于一身，表现出高耐压、大电流 、高频率等优越的综合性能。

图1和图2分别是槽栅IGBT结构和单晶片透明集电极 NPT—I GBT结构，两种都是当今世界上流行的先进结构。

2.1、IGBT的技术特点

目前，世界上 IGBT结构及技术特点 ：

• NPT — I GBT和 F r e nch—I GBT；

② 亚微米线条精度 大规模 CMOS I C工艺；

• 薄单晶硅片技术；
• 背P 发射极技术；
• 分层辐照技术。

2.2 IGBT的发展背景

1982年 美国RCA公司和GE公司先后发明了IGBT。设计者很巧妙地将 VDMOS的N 衬底换成 P 衬底， 引人PN结注人机制， 使高阻 N一漂移区产 生电导调制效应 ， 大大降低了导通电阻。在 VDMOS 的基础上，进行这一小 的变动就形 成了 MOS、双极 相结合的I GBT， 导通电阻的降低加上MOS、双极双 电流通道使 I GBT的电流密度很高 ， 具备了MOS和 双极的双重优点。

然而。早期的IGBT还不能使用，当时器件存在两个主要问题 ：

• 器件内部寄生了PNPN晶闸管结构，使器件产生闭锁效应，导致栅失去控制能力。

② 由于N一漂移区存在非平衡载流子的注人，在器件关断时，有一个较长时间的拖尾电流，影响了器件的开关速度。

这两个问题都是引人 PN结注人机制所带来的。后来经过几年的努力，从结构和工艺上采用了以下技术：

• P阱区两步扩散技术；
• 加人 N 缓冲层技术 ；
• N一漂移区少子寿命控制技术 ；
• 元胞设计技术。

采用以上技术后，解决了上述问题。

1986年，IGBT得到了真正的应用。此后，为了进一步改善 IGBT的性能，提高 IGBT的电流容量 、功率容量和开关速度，降低IGBT的通态损耗和开关损耗，人们一直致力于改善IGBT两个重要的、相互矛盾的参数，即通态压降Vce(sat)和关断时间toff。从IGBT结构的三个组成部分：MOS结构、N一基区(包括N缓冲层)和P集电区进行不断改进，并以Vce(sat)和toff为标志形成了几代产品( 见表 1)。

2.3 新结构高性能IGBT

1996年 西门子公司 (现Infineon/英飞凌)公司推出1200V的NPT，(非穿通型)一IGBT后，于1999年推 出 600V／50A的NPT—IGBT，其通态压降为2．1V。关断时间为30ns，NPT—IGBT的出现是功 率场控器件技术上的重大突破。

1998年日本公司推出600V Trench

(沟槽栅)—IGBT，其典型通态压降1．8V， 关断时间0．15us。

1998年由日本人提出SDB(硅片直接键合)—I GBT，随后美国仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)推出小功率

SDB—IGBT投放市场。

1999年IXYS公司推出了1600V／40A CS(集电极短路 )—IGBT，其关断时间小于 200ns。

近年来，美国仙童半导体公司又推出1000V／60A NPT—Trench—IGBT，其通态压降2．5V，关断时间130ns，专为I H电饭煲，电磁炉、微波炉应用而设计，满足的节能标准。快速IGBT已应用到了150KHz～180KHz的频率范围 ( 如美国Intesi公司的 SMPS  IGBT系列和IR公司的WARPZTM  IGBT系列 )。I GBT模块的研究也很活跃，

IGBT模块多以超大功率IGBT模块和IGBT—IPM智能功率模块为主。IGBT—IPM是以IGBT芯片为基体 内含接口、传感、保护和功率控制等功能电路的智能功率模块， 其外型封装及单元电路分别见 上图的  图 3和 图 4。

1993年 德国EUPEC公司推出3200V／1300A的IGBT模块，它是多个IGBT芯片串联加并联组成的。

1996年 日本东芝公司推出了2500V／1000A的IGBT 模块具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。该模块由24个2500V／80A的IGBT芯片并联而成，还有16个2500V／100A的超快恢复二极管(FRED)芯片与之反并联 (续流二极管)。

此后，东芝公司又开发了1700V／1200A、工作频率40KHz， 并具有驱动电路和过 流、过载、短路、栅极欠压等保护电路的IGBT—I PM。

近年来，国外又有2000V／600A的IGBT—I PM已用于电力机车VVVF逆变器中。

日本三菱公司开发第五代 IGBT硅片技术 ， 推出应用于变频空调 、 静音冰箱、 洗衣机等家电中的I GBT—I P M， 以高性能产品来满足变频家电的节能标准要求。

目前 ， I GBT的单片水平已达 到 80A／4500V、模块水平达到 1 800A／4500V、工作频率达到 1 50KHz。 技术上发展到第 五代 ， 这一代 I GBT的技术特点是 NPT槽栅结构， 采用了亚微米微细加工技术 、 薄单晶硅片技术 、背 P 层透 明发射极技术和分层辐照技术。

I GBT未来的发展方 向有两个，一是超大功率、智能化IGBT模块 ； 二是快速I GBT。IGBT的迅速发展促进了智能功率模块IPM 的发展。目前，IGBT—I PM已发展到把 MPU和 PWM等控制电路也集成进来的第三代产品。IPM的发展趋势是功率容量更大、 开关频率更高、控制及保护等电路的性能更好、功能更全。

2．4国内主要研究现状

由于设备及工艺水平等因素的影响，国内IGBT还处于研制阶段。

1997年 西安电力电子技术研究所 研制出1050V／20A的PT—IGBT样品 ， 并对少子寿命控制技术进行了较深人的研究。

2000年 电子科技大学微电子所研制出1200V／2 0A SDB—I GBT的样品 。

2001年 北京工业大学对NPT—I GBT进行了深入研究。该项研究是把 N 扩散层做缓 冲层加入NPT—IGBT结构中，背 P 集电区是采用硼离子注入形成的浓度不高，浅结 (约 5txm)的透明集电极，这与国外NPT技术相同。并对新结构IGBT进行了仿真。

2004年 西安交通大学对 NPT—Tr e nch—I GBT工艺进行了创新性研究。该项研究是采用全自对准槽栅工艺，大规模集成电路的LDD工艺，只用2块掩模完成器件制作，该技术已申请国家发明。

*公司47所 、24所也进行了深入的研究。

我国对 I GBT的研究始于上世纪 90 年代初， 研究单位多数是大学。目前， 国内还没有商品化的 I GBT投入市场，研制开发工作比较漫长。

3 市场需求情况及发展趋势

3.1 市场情况

IGBT的性能极其优越，在电子系统中，采用IGBT或IGBT—IPM技术后，可使整机的性能及可靠性显著提高。IGBT在军事领域有广泛的应用。机载 、舰载、 雷达等随动系统和自动定位系统中的侍服电机驱动用IGBT—I PM，其性能规格600V／30～60A； 在机载、星载电源系统中的DC／DC变换器用IGBT单管，其性能规格400V／8 0～1 2 0A； 在大功率领域，舰艇上装置控制用 IGBT— IPM等。

3.2 民品市场情况

IGBT在民品市场具有更加广泛的应用。

电磁感应加热用IGBT：

在IH电饭煲、电磁炉、微波炉的电磁感应加热电路中，采用

IGBT单管，其性能规格600～1500V／40～80A，如美国飞兆半导体公司推出的1000V／60A NPT—Trench—IGBT，其通态压降2．5V，关断时间130ns，专门投放中国市场。

频闪观测器用IGBT：

在照相机频闪观测器电路中，也采用IGBT单管，性能规格400V／60～8 0A，如日本东芝公司生产的 GT20G1 01系列产品。

变频器用 IGBT：

在变频空调 、静音冰箱、洗衣机 等家电的电机驱动系统中，采用 IGBT—I PM。每个 模块含有6个IGBT芯片，其性能规格600V／15～50A。如美国飞兆、日本富士公司分别 推出的Mot ion—I PM系列和R系列产品投入市场。日本三菱公司开发第五代IGBT硅片技术，以高性能产品来满足变频家电的节能标准要求 。

逆变器用IGBT：

在节能灯电子镇流器中，采用小功率单管IGBT，其性能规格600V／5～10A； 在电力机车VVVF逆变器中，采用大功率 IGBT—IPM，其性能规格2000V／600A。此外，IGBT及IGBT—I PM在通讯电源、UPs不 间断电源及电焊机中也有广泛的应用。