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PT,NPT,FS型IGBT有哪些区别?

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深圳逸盛通科技河北快3走势图

时间 : 2018-09-22 20:46 浏览量 : 29

PT,NPT,FS型IGBT有哪些区别?


IGBT的结构多种多样,但从纵向结构来看可归为穿通型,非穿通型。这两类IGBT的划分依据为:临界击穿电压下P base-N drift结耗尽层的扩展是否穿透了N-基区。本文将对IGBT的纵向结构区别做进一步的归纳与分析。

1。出现年代

PT(punch through):最“古老”的IGBT技术,在1980~1990年间占据主导地位,英飞凌第一代IGBT就是采用的PT技术。

NPT(non-punch through):NPT-IGBT由德国西门子公司于1987年推出,为上世纪90年代的主流产品。英飞凌第二代IGBT采用NPT技术。

FS(field stop):2000年,西门子公司研制出新的IGBT结构,fieldstop-IGBT(FS-IGBT),它同时具有PT-IGBT和NPT-IGBT的优点,至今一直居于主导地位。英飞凌第三代及以后的IGBT,均采用了FS技术。

2.电场分布

当IGBT门极接低电平时,IGBT截止,集电极与发射极之间的电压将由J2承担,此时J2结反偏。这个PN结会扩展形成空间电荷区,因为N-区域低掺杂的特性,空间电荷区将主要在N-区域内扩展。

PT和FS:这两种IGBT结构中存在一层浓度较高的N+ buffer层,因而电场在N-基区衰减较慢,而在N+ buffer层衰减较快,电场呈梯形分布。

NPT:电场以单一速率在N-基区中衰减,呈三角形分布。


3.生产工艺

PT:以高浓度的P+直拉单晶硅为起始材料,先生长一层掺杂浓度较高的N型缓冲层(N-buffer层),然后再继续淀积轻掺杂的N型外延层作为IGBT的漂移区,之后再在N型外延层的表面形成P-base、N+ source作为元胞,最后根据需要减薄P型衬底。如果要制作1200V或1700V耐压的产品,需要比较厚的N-外延层,制作难度较大,且成本很高。

NPT:采用轻掺杂N- 区熔单晶硅作为起始材料,先在硅面的正面制作元胞并用钝化层保护好,之后再将硅片减薄到合适厚度。最后在减薄的硅片背面注入硼,形成P+ collector, 激活杂质后再淀积金属铝。区熔单晶硅成本大约为外延片的50%。

FS: FS IGBT 工艺与NPT类似,都是以轻掺杂N- 区熔单晶硅作为起始材料,完成正面元胞制作之后再进行背面工艺。不同的是,FS IGBT在硅片减薄之后,首先在硅片的背面注入磷,形成N+ buffer, 最后注入硼,形成P+ collector, 激活杂质后再淀积金属铝。FS相对于NPT 而言,背面增加了N型注入、硅片更薄,硅片在加工过程中的碎片率上升。更薄的N-区电阻小,使VCESAT更低;更薄N-层导通时存储的过剩载流子总量少,使关断时间及关断损耗减少。

4。发射极效率

PT:为了保证器件导通电阻不致太高,必须将背发射区的浓度设得足够高以提高电导率,这就导致了背面PN结有极高的注入效率。PT IGBT结构的优点在于:器件导通时,高的发射极效率可使大量空穴迅速地从背面注入到N-基区中,同时电子流经器件表面反型沟道注入到N-基区中,这样在基区可形成很好的电导调制,使通态压降很低。

NPT(FS):与PT-IGBT相比,NPT(FS)-IGBT的背P+发射区极薄且掺杂浓度相对较低,所以NPT-IGBT背发射区注入效率比PT-IGBT低得多。虽然NPT(FS)-IGBT背发射极注入效率较低且基区较宽,但由于基区少子寿命很长,使得基区载流子电导调制效应更加显著,NPT型IGBT的饱和压降并不比PT高。

FS:FS-IGBT具有N+缓冲层,从而所需的N-基区较薄,这一点类似于PT-IGBT, 同时FS-IGBT具有较低的背P+发射效率,这一点类似于NPT-IGBT。

5.拖尾电流

PT:PT-IGBT结构中高浓度厚发射区的存在一方面增大了发射效率,增加了基区存储过剩载流子数目,另一方面器件关断时,空穴无法从背P+区流出而只能在n-基区靠自身复合而消失,导致明显的拖尾电流,从而延缓器件的关断,关断时间的加长导致了器件关断损耗的增加。因此,为了改善PT-IGBT的关断速度,通常需要引入少子寿命控制技术。常用的少子控制技术有:电子辐照,重金属掺杂,质子辐照等。但在改善开关特性的同时,往往会引入器件参数漂移、特性退化、稳定性差等问题。

NPT:在NPT-IGBT中,因为背发射极电流中电子流成分很大,器件关断时,基区存储的大量电子可以通过流向背发射区而很快清除掉,空穴可以迅速流向P阱,所以拖尾电流小,开关损耗小,因此不需要少子寿命控制技术。另外NPT型IGBT有一个突出优点就是器件关断时拖尾电流随温度变化很小,器件的可靠性很高。

FS:FS相对于NPT,拖尾电流持续时间更短。这是因为反向电压恢复到直流母线电压时,P+N结耗尽层已经扩展到FS层或接近FS层,尚未被抽出的过剩载流子就很少了。所以FS具有NPT的优点而功耗更小。

6。温度系数

PT:很大的电流范围内是负温度系数。PT-IGBT在室温下载流子的寿命较短,但随着温度的升高而变长,载流子的浓度升高,即等效电阻随温度的升高而下降。即正向压降Uce减小。

NPT,FS:很大的电流范围内是正温度系数。NPT-IGBT中,载流子寿命较长,温度的增加对载流子增加影响很小。在这种情况下,随着温度升高,降低的载流子迁移率u和增加的集电极及发射极的接触电阻成为影响导通压降的主要因素。在非常低的正向电流时,NPT IGBT也表现为负温度系数,当电流稍微增大时,IGBT就转化为正温度系数。因此,在实际应用中,可以认为NPT-IGBT具有正的温度系数。(英飞凌igbt厂家)

总结

综上所述,PT, NPT,FS 型IGBT主要区别可以归纳为下表:


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