IGBT芯片的結構特點和性能優勢

來源：洞察3C前沿

當前的新能源車的模塊系統由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發展比較成熟的產品，國內外的模塊廠商已經開發了很多，但是有一個模塊需要引起行業內的重視，那就是電機驅動部分，則是電機驅動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。

大家好！今天我要和大家分享的是關于IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）芯片的革命性崛起。這項創新的科技巨擘在現代電力電子領域掀起了一場震撼世界的變革。想象一下，在過去的幾十年中，我們生活的每個角落都離不開能源的驅動。然而，傳統的功率晶體管卻受限于一些方面不足。幸運的是，IGBT芯片的出現徹底改變了這一局面。

IGBT和MOS管都是一種用于電力控制的半導體器件。它們的作用是在電路中調整或控制電流的流動。

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種具有低壓控制和高電流能力的開關設備。它結合了場效應晶體管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）的優點，具有低開通電阻和高開通速度，能夠承受較高的電流和電壓。IGBT主要用于交流電力電子設備中，如變頻器、電機驅動器、逆變器等。

MOS管（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）是一種基于MOS結構的晶體管。它具有高輸入電阻、低功耗和快速開關速度等特點，可以用作開關、放大器、放大器驅動器等。MOS管可以分為兩類：增強型MOSFET（nMOS）和耗盡型MOSFET（pMOS）。增強型MOSFET需要一個正電壓作為控制信號以切換其導通狀態，而耗盡型MOSFET需要一個負電壓作為控制信號。

總的來說，IGBT主要用于高功率電力應用，而MOS管則適用于低功率應用。IGBT具有較高的電流和電壓能力，可以承受較大的負載，但開關速度相對較慢。相比之下，MOS管具有較低的功耗和更快的開關速度，但電流和電壓能力相對較弱。在電路設計中，對于不同的應用需求和電路規模，可以選擇使用不同類型的器件。

“憑啥說我不行！！！“隨著傳統的功率晶體管（包括MOSFET和BJT）的破門而入，小編打字都開始靜悄悄，我小聲悄悄跟你們說。

雖然它們在很多電子設備中都有廣泛的應用，但在一些特定的應用場景中，它們存在一些不足之處：

1、傳統功率晶體管的效率問題。在高壓、高電流的情況下，傳統的功率晶體管在導通狀態下會有較高的導通電阻，導致能源被轉化為熱量損失。這意味著功率晶體管在工作時會消耗大量的功率，并且需要額外的散熱措施來解決發熱問題。

2、傳統功率晶體管的速度問題。功率晶體管在開關過程中存在一定的開啟延遲時間和關閉延遲時間，限制了其在高頻率開關應用中的性能。

幸運的是，IGBT芯片的出現徹底改變了這些局限。IGBT芯片結合了MOSFET和BJT的優點，有效克服了功率晶體管的不足之處：

1、IGBT芯片具有低導通電阻和高電流承載能力的優點，可以在高壓、高電流的環境中實現較低的功率損耗。這使得它們在功率轉換和電力傳輸等應用中更加高效。

2、IGBT芯片在開關速度方面表現較為出色。相對于傳統的BJT晶體管，IGBT芯片具有更快的開啟速度和關閉速度，這使得它們能夠在高頻率開關電路中表現出更好的性能。

綜上所述，傳統的功率晶體管在效率和速度方面存在一些限制，而IGBT芯片通過結合MOSFET和BJT的優點，解決了這些問題。因此，IGBT芯片被廣泛應用于需要高效、高速開關能力的領域，例如電力傳輸、工業控制和新能源領域。

結構特點：

PT-IGBT采用 P 型直拉單晶硅作為襯底，在此之上依次生長N+ buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結構。P 型襯底作為器件的集電區濃度高且難以減薄，為了減小陽極側空穴載流子的注入效率，通常會在漂移區和襯底之間外延生長一層 N+緩沖層，用來阻擋部分空穴注入。在阻斷狀態下，緩沖層又起到截止漂移區電場的作用，由于電場穿透漂移區，故稱此結構為穿通型 IGBT。

性能優勢：

1、低導通壓降：

平面柵穿通型IGBT相比傳統功率晶體管具有較低的導通壓降，即在導通狀態下的電壓降低；這是由于電導調制的存在，導通時，當P+區注入到N區的少子濃度很大（大注入）、接近摻雜濃度，則額外積累起來的多子濃度也就與摻雜濃度相當了，這時，N區的電導率實際上就決定于基區摻雜濃度和額外增加的多子濃度的總和，從而N區的有效電導率大大增加了，即降低了N區的電阻率。

2、高電壓承受能力：

平面柵穿通型IGBT可以根據應用環境設計出不同N區的厚度來達到所要求的耐壓上限，可以較高的電壓承受能力，適用于高壓應用。

3、簡化驅動電路：

相對于傳統功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的驅動電路更為簡化。它通常只需要一個正向電壓脈沖來開啟，而無需連續施加電壓，減少了驅動電路的復雜性和成本。

存在問題：

1、開關損耗較大：

相對于傳統功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的開關損耗較大；這是由于其較厚的P+區，導致關斷時空穴抽離的路徑較遠。

2、導通壓降相對較高：

盡管相對于傳統功率晶體管有所改進，但平面柵穿通型IGBT仍然存在較高的導通壓降，這取決于正面結構電流路徑的復雜性及其較厚的P+區。

3、溫度依賴性：

平面柵穿通型IGBT的性能受溫度影響較大。其導通特性和開關速度由于復雜的摻雜濃度層次的交替，高溫下不同層次的表現不同，致使其受溫度影響大，且期間整體的漏電流較高。

4、高電流飽和現象：

在較高電流密度時，平面柵穿通型IGBT可能會出現飽和現象，即電流不再線性響應于控制電壓的變化，這是由于平面柵結構的退飽和效應，柵極施加一個大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會出現強反型層，形成導電溝道。這時如果給集電極C施加正壓VCE，則發射極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從發射極E流向集電極C，而集電極中的空穴則會從集電極C流向發射極E，這樣電流便形成了。這時電流隨CE電壓的增長而線性增長，器件工作在飽和區。當CE電壓進一步增大，IGBT溝道末的電勢隨著VCE而增長，使得柵極和硅表面的電壓差很小，進而不能維持硅表面的強反型，這時溝道出現夾斷現象，電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長，即IGBT退出飽和區。

N 型襯底IGBT——平面柵非穿通型（NPT）IGBT：