IGBT入门知识

史前时代-pt

pt是zui初代的igbt，它使用重掺杂的p+衬底作为起始层，在此之上依次生长n+ buffer，n- base外延，zui后在外延层表面形成元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个n-base区而得名。它工艺复杂，成本高，而且需要载流子寿命控制，饱和压降呈负温度系数，不利于并联，虽然在上世纪80年代一度呼风唤雨，但在80年代后期逐渐被npt取代，目前已归隐江湖，不问世事，英飞凌目前所有的igbt产品均不使用pt技术。

初代盟主——igbt2

特征：平面栅，非穿通结构(npt)

npt-igbt于1987年出山，很快在90年代成为江湖霸主。npt与pt不同在于，它使用低掺杂的n-衬底作为起始层，先在n-漂移区的正面做成mos结构，然后用研磨减薄工艺从背面减薄到 igbt 电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成p+ collector。在截止时电场没有贯穿n-漂移区，因此称为“非穿通”型igbt。npt不需要载流子寿命控制，但它的缺点在于，如果需要更高的电压阻断能力，势必需要电阻率更高且更厚的n-漂移层，这意味着饱和导通电压vce(sat)也会随之上升，从而大幅增加器件的损耗与温升。

技能：低饱和压降，正温度系数，125℃工作结温，高鲁棒性

因为n-漂移区厚度大大降低了，因此vce(sat)相比pt大大减少。正温度系数，利于并联。

名号：dlc，kf2c，s4…

等等，好像混进了什么奇怪的东西！

没写错！s4真的不是igbt4，它是根正苗红的igbt2，适用于高频开关应用，硬开关工作频率可达40khz。这一明星产品，至今销路仍然不错。

性能飞跃--igbt3

特征：沟槽栅，场截止（field stop）

igbt3的出现，又在igbt江湖上掀起了一场巨大的变革。igbt3的元胞结构从平面型变成了沟槽型。沟槽型igbt中，电子沟道垂直于硅片表面，消除了jfet结构，增加了表面沟道密度，提高近表面载流子浓度，从而使性能更加优化。（平面栅与沟槽栅技术的区别可以参考我们之前发表过的文章“平面型与沟槽型igbt结构浅析”）。

纵向结构方面，为了缓解阻断电压与饱和压降之间的矛盾，英家于2000年推出了field stop igbt，目标在于尽量减少漂移区厚度，从而降低饱和电压。场截止（field stop）igbt起始材料和npt相同，都是低掺杂的n-衬底，不同在于fs igbt背面多注入了一个n buffer层，它的掺杂浓度略高于n-衬底，因此可以迅速降低电场强度，使整体电场呈梯形，从而使所需的n-漂移区厚度大大减小。此外，n buffer还可以降低p发射极的发射效率，从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。（了解更多npt与场截止器件的区别请参考：pt，npt，fs型igbt的区别）。

技能：低导通压降，125℃工作结温（600v器件为150℃），开关性能优化

得益于场截止以及沟槽型元胞，igbt3的通态压降更低，典型的vce(sat)从第2代的典型的3.4到第3代的2.55v（3300v为例）。

名号：t3，e3，l3

igbt3在中低压领域基本已经被igbt4取代，但在高压领域依然占主导地位，比如3300v，4500v，6500v的主流产品仍然在使用igbt3技术。

中流砥柱--igbt4

igbt4是目前使用zui广泛的igbt芯片技术，电压包含600v，1200v，1700v，电流从10a到3600a，各种应用中都可以见到它的身影。

特征：沟槽栅+场截止+薄晶圆

和igbt3一样，都是场截止+沟槽栅的结构，但igbt4优化了背面结构，漂移区厚度更薄，背面p发射极及n buffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。

技能：高开关频率，优化开关软度，150℃工作结温

igbt4通过使用薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，同时开关软度更高。同时，zui高允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃，这无疑能进一步增加器件的输出电流能力。

名号：t4，e4，p4

t4是小功率系列，开关频率zui高20khz。

e4适合中功率应用，开关频率zui高8khz。

p4对开关软度进行了更进一步优化，更适合大功率应用，开关频率zui高3khz。

土豪登场--igbt5

“土豪金” 芯片

特征：沟槽栅+场截止+表面覆盖铜

igbt5是所有igbt系列里zui土豪的产品，别的芯片表面金属化都用的铝，而igbt使用厚铜代替了铝，铜的通流能力及热容都远远优于铝，因此igbt5允许更高的工作结温及输出电流。同时芯片结构经过优化，芯片厚度进一步减小。

技能：175℃工作结温，1.5v饱和电压，输出电流能力提升30%

因为igbt5表面覆铜，并且在模块封装中采用了先进的.xt封装工艺，因此工作结温可以达到175℃。芯片厚度相对于igbt4进一步减薄，使得饱和压降更低，输出电流能力提升30%。

名号：e5，p5

目前igbt5的芯片只封装在primepack™里，电压也只有1200v，1700v，代表产品ff1200r12ie5，ff1800r12ip5。

真假李逵--trenchstop™5

在单管界，有一类产品叫trenchstop™5。经常听到有人问h5、f5、s5、l5是不是igbt5？严格意义来讲并不是，虽然名字里都带5，但是h5、f5、s5这些单管的5系列，属于另外一个家族叫trenchstop™5。这个家族没有“黄金甲”加持，基因也和igbt5不一样。

特征：精细化沟槽栅+场截止

虽然都叫沟槽栅，但trenchstop™5长得还是和前辈们大相径庭。它的沟道更密，电流密度更高。在达到操作性能同时，并不具备短路能力。

技能：175℃zui大工作结温，高开关频率，无短路能力

性能和短路，永远是一对矛盾体。为了追求卓越的性能，trenchstop™5牺牲掉了短路时间。trenchstop™5可以根据应用目的不同，取得极低的导通损耗，或者极高的开关频率，开关频率zui高可达70~100khz，而导通压降zui低可低至1.05v。

名号：h5，f5，s5，l5

trenchstop™5目前只有650v的器件，并且都是分立器件。这一系列产品针对不同的应用进行了通态损耗和开关损耗的优化。其中h5/f5适合高频应用，l5导通损耗zui低。trenchstop™5各个产品在折衷曲线上的位置如下图所示。

后起之秀--igbt6

6掌门虽然和4掌门之间隔了个5，但6其实是4的优化版本，依然是沟槽栅+场截止。igbt6目前只在单管中有应用。

特征：沟槽栅+场截止

器件结构和igbt4类似，但是优化了背面p+注入，从而得到了新的折衷曲线。

技能：175℃zui大工作结温，rg可控，3us短路

igbt6目前发布的有2个系列的产品，s6导通损耗低，vce(sat) 1.85v; h6开关损耗低，相比于h3，开关损耗降低15%。

名号：s6,h6

igbt6只有单管封装的产品，例如：ikw15n12bh6，ikw40n120cs6，封装有to-247 3pin，to-247 plus 3pin，to-247 plus 4pin。

万众瞩目--igbt7

igbt经数代，厚积薄发，2018年终于迎来了万众瞩目的igbt7。

特征：微沟槽栅+场截止

虽然都是沟槽栅，但多了一个微字，整个结构就大不一样了。igbt7沟道密度更高，元胞间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现5kv/us下的开关性能。

技能：175℃过载结温，dv/dt可控

igbt7 vce(sat)相比igbt4降低20%，可实现zui高175℃的暂态工作结温。

名号：t7,e7

代表产品有：fp25r12w1t7。t7专为电机驱动器优化，可以实现5kv/us下性能。e7应用更广泛，电动商用车主驱，光伏逆变器等。

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