IGBT的發(fā)展史及測試

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2023-02-21 09:45:04 647

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）于20世紀80年代初發(fā)明、開發(fā)并商業(yè)化。器件結(jié)構(gòu)（圖4左側(cè)）可以設計為在*象限和第三象限（對稱IGBT）的結(jié)J1和J2處阻斷電壓，或者僅在*象限（不對稱IGBT）阻斷電壓。IGBT通過使用正柵極偏置創(chuàng)建MOS溝道來工作，該偏置將基極驅(qū)動電流輸送到內(nèi)部寬基極P-N-P雙極晶體管。在同一漂移區(qū)內(nèi)，通過溝道使用電子和通過P-N-P晶體管使用空穴產(chǎn)生集電極電流，稱為MOS雙極電流傳輸。該器件可以通過將柵極電壓降低到零來關(guān)閉電子供應。

由于采用了寬基極P-N-P晶體管，而不是當時用于功率晶體管的窄基極N-P-N晶體管，因此所提出的IGBT設計是一個具有革命性的改變。懷疑論者認為，這將嚴重限制電流，使該器件不如功率雙極晶體管。我的分析基于N基區(qū)（N漂移區(qū)）內(nèi)的高電平注入，預測了即使在高電流密度下也具有低導通狀態(tài)壓降的P-i-N整流器式導通狀態(tài)特性。幸運的是，在制造和測試實際設備時，這種分析被證明是正確的。

IGBT的一個主要障礙是內(nèi)部4層晶閘管的潛在閉鎖，這可能會導致破壞性故障。使用添加到基本雙擴散MOSFET工藝中的深P+區(qū)域（圖4左圖）能夠解決這個問題。當時人們認為IGBT僅適用于低工作頻率，因此限制了其應用，因為當時控制少數(shù)載流子壽命的方法會損壞MOS柵極結(jié)構(gòu)。幸運的是，我發(fā)現(xiàn)了一種工藝，該工藝允許使用高能電子輻照來縮短漂移區(qū)的壽命，然后進行低溫退火工藝，以去除柵極氧化物中的損壞。這對于創(chuàng)建能夠在大范圍的交換速度下運行的IGBT至關(guān)重要（BaligaIEEE EDL，1983），從而在GE內(nèi)部開辟了廣泛的應用領(lǐng)域。

根據(jù)我在1980年11月的演講，我預測了IGBT在通用電氣公司電機驅(qū)動、照明、電器和醫(yī)療部門的廣泛影響，董事長杰克·韋爾奇（Jack Welch）批準全力支持我的IGBT開發(fā)和商業(yè)化。基于這種支持，我能夠在不到10個月的時間內(nèi)直接在功率MOSFET生產(chǎn)線上設計和制造IGBT。由于公司的嚴格審查，這必須在芯片設計和工藝定義過程中毫無瑕疵地完成，以確保*實驗成功。這是使IGBT大量用于GE制造*臺熱泵用可調(diào)速電機驅(qū)動器和新型燈具的關(guān)鍵一步，這些燈具是20世紀90年代商業(yè)化的緊湊型熒光燈的先驅(qū)。由于IGBT對通用電氣應用的價值，杰克·韋爾奇禁止發(fā)布任何有關(guān)IGBT的信息。1983年6月，半導體產(chǎn)品部宣布推出IGBT產(chǎn)品D94F4，最終打破了這一禁令。通用電氣公司推動了該產(chǎn)品的應用，并獲得了“年度產(chǎn)品”獎。從1983年到1985年，通用電氣發(fā)布了我關(guān)于IGBT屬性的文章，從1985年開始，日本的許多公司（東芝、三菱電機、富士電機）開發(fā)并推出了此類產(chǎn)品。

20世紀90年代，歐洲（ABB、西門子）也進行了IGBT創(chuàng)新。P+發(fā)射極區(qū)區(qū)域被晶圓底部具有低摻雜濃度的薄P擴散代替，以降低注入效率。研究發(fā)現(xiàn)，這可以減少替換電力機車驅(qū)動應用中的柵極關(guān)斷（GTO）晶閘管所需的極高電壓（>4kV）器件的開關(guān)損耗。這項技術(shù)在歐洲和日本得到迅速優(yōu)化，廣泛應用于城市和長途公共交通。

通過采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)，改善了IGBT的導通狀態(tài)、壓降和開關(guān)速度之間的平衡。溝槽柵極設計（圖4右側(cè)）增加了溝道密度，為內(nèi)部雙極晶體管提供了更多的驅(qū)動電流，以減少導通電壓降。另一個被證明可以提高高壓IGBT器件性能的設計創(chuàng)新是具有窄P基極區(qū)域的深溝槽結(jié)構(gòu)（圖5）。這種方法增強了漂移區(qū)的電導率調(diào)制，從而產(chǎn)生較低的導通狀態(tài)電壓降。

在過去40年中，IGBT在各種應用中變得非常*，它被廣泛應用于各個領(lǐng)域，例如交通、照明、消費者、工業(yè)、醫(yī)療等，以提高全*數(shù)十億人的生活質(zhì)量。1990-2020年，汽油動力汽車和卡車使用IGBT的電子點火系統(tǒng)的創(chuàng)建使汽油消耗量減少了1.8萬億加侖。1990-2020年間，使用IGBT的可調(diào)速電機驅(qū)動器的開發(fā)使電力消耗量減少73000太瓦時。使用IGBT電子鎮(zhèn)流器的200億盞緊湊型熒光燈的部署在1990年至2020年期間減少了5.99萬太瓦時的電力消耗。IGBT的這些應用為消費者節(jié)省了33.6萬億美元，同時在1990年到2020年間減少了181萬億英鎊的二氧化碳排放，以緩解全球變暖。

所有太陽能和風力發(fā)電都依賴于使用IGBT將能量轉(zhuǎn)換為可輸送到電網(wǎng)的穩(wěn)定的50或60 Hz交流電。此外，IGBT用于驅(qū)動所有電動汽車中的電機的逆變器。因此，它將在消除發(fā)電和運輸部門的化石燃料以應對氣候變化方面發(fā)揮重要作用。

IGBT失效場合：來自系統(tǒng)內(nèi)部，如電力系統(tǒng)分布的雜散電感、電機感應電動勢、負載突變都會引起過電壓和過電流；來自系統(tǒng)外部，如電網(wǎng)波動、電力線感應、浪涌等。歸根結(jié)底，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。

IGBT失效機理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路，將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流——在關(guān)斷時電流變化率di/dt過大。漏感及引線電感的存在，將導致IGBT集電極過電壓，而在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應，使IGBT鎖定失效。同時，較高的過電壓會使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進入放大區(qū)，使管子開關(guān)損耗增大。

IGBT傳統(tǒng)防失效機理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來減小關(guān)斷過電壓；在集電極和發(fā)射極之間，放置續(xù)流二極管，并接RC電路和RCD電路等；在柵極，根據(jù)電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩(wěn)壓二極管防止柵極過電壓。

分立器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)，是針對MOSFET與IGBT分立器件的動態(tài)參數(shù)如開關(guān)特性、柵極電荷、短路特性、二極管的反向恢復特性、結(jié)電容等專門設計的一套全自動測試系統(tǒng)，額定測試電流不超過200A，測試電壓不超過1200V。

該測試系統(tǒng)具有如下特點：

該測試系統(tǒng)是一套集常規(guī)動態(tài)參數(shù)為一體的綜合測試系統(tǒng)；

該測試系統(tǒng)完全采用自動控制，測試可按測試員設定的程序進行動測試；

該系統(tǒng)采用計算機記錄測試結(jié)果，并可將測試結(jié)果轉(zhuǎn)化為EXCEL文件進行處理。

測試治具更換簡易、測試效率高。

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