电的创造是人类历史的革命，由它产生的动能每天都在源源不断的开释，人对电的需求不亚于人类天下的氧气，如果没有电，人类的文明还会在阴郁中探索。
然而在电力电子里面，最主要的一个元件便是IGBT。没有IGBT就不会有高铁的便捷生活。
一提及IGBT，半导系统编制造的人都以为不便是一个分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样，是国家“02专项”的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子器件里技能最前辈的产品，已经全面取代了传统的Power MOSFET，其运用非常广泛，小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等计策性家当，被称为电力电子行业里的“CPU”，长期以来，该产品（包括芯片）还是被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期间国家16个重大技能打破专项中的第二位（简称 “02专项”）。
究竟IGBT是何方神圣？让我们一起来学习它的理论吧。
1、作甚IGBT？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，以是它是一个有MOS Gate的BJT晶体管。奇怪吧，它到底是MOSFET还是BJT？实在都不是又都是。不绕圈子了，他便是MOSFET和BJT的组合体。
我在前面讲MOSFET和BJT的时候提到过他们的优缺陷，MOSFET紧张是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，以是BJT的驱 动电流会比MOSFET大，但是MOSFET的掌握级栅极是靠场效应反型来掌握的，没有额外的掌握端功率损耗。以是IGBT便是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压掌握晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。从而达到驱动功率小、饱和压降落的完美哀求，广泛运用于600V以上的变流系统如互换电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
2、传统的功率MOSFET为了等一下便于理解IGBT，我还是先讲下Power MOSFET的构造。所谓功率MOS便是要承受大功率，换言之也便是高电压、大电流。我们结合一样平常的低压MOSFET来讲解如何改变构造实现高压、大电流。
1)高电压：一样平常的MOSFET如果Drain的高电压，很随意马虎导致器件击穿，而一样平常击穿通道便是器件的其余三端(S/G/B)，以是要办理高压问题必须堵去世这三端。Gate端只能靠场氧垫在Gate下面隔离与漏的间隔(Field-Plate)，而Bulk真个PN结击穿只能靠降落PN结两边的浓度，而最讨厌的是到Source端，它则须要一个长长的漂移区来作为漏极串联电阻分压，使得电压都降在漂移区上就可以了。
2) 大电流：一样平常的MOSFET的沟道长度有Poly CD决定，而功率MOSFET的沟道是靠两次扩散的结深差来掌握，以是只要process稳定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限定。而器件的电流取决于W/L，以是如果要得到大电流，只须要提高W就可以了。
以是上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。虽然这样的器件能够实现大功率哀求，可是它依然有它固有的缺陷，由于它的源、栅、漏三端都在表面，以是漏极与源极须要拉的很长，太摧残浪费蹂躏芯片面积。而且由于器件在表面则器件与器件之间如果要并联则繁芜性增加而且须要隔离。所往后来发展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏极统一放到Wafer背面去了，这样漏极和源极的漂移区长度完备可以通过背面减薄来掌握，而且这样的构造更利于管子之间的并联结构实现大功率化。但是在BCD的工艺中还是的利用LDMOS构造，为了与CMOS兼容。
再给大家讲一下VDMOS的发展及演化吧，最早的VDMOS便是直接把LDMOS的Drain放到了背面通过背面减薄、Implant、金属蒸发制作出来的(如下图)，他便是传说中的Planar VDMOS，它和传统的LDMOS比寻衅在于背面工艺。但是它的好处是正面的工艺与传统CMOS工艺兼容，以是它还是有生命力的。但是这种构造的缺陷在于它沟道是横在表面的，面积利用率还是不足高。
再后来为了战胜Planar DMOS带来的缺陷，以是发展了VMOS和UMOS构造。他们的做法是在Wafer表面挖一个槽，把管子的沟道从原来的Planar变成了沿着槽壁的 vertical，果真是个聪明的想法。但是一个馅饼总是会搭配一个陷阱(IC制造总是在不断trade-off)，这样的构造天生的缺陷是槽太深随意马虎电 场集中而导致击穿，而且工艺难度和本钱都很高，且槽的底部必须绝对rouding，否则很随意马虎击穿或者产生应力的晶格毛病。但是它的优点是晶饱数量比原来多很多，以是可以实现更多的晶体管并联，比较适宜低电压大电流的application。
还有一个经典的东西叫做CoolMOS，大家自己google学习吧。他该当算是Power MOS撑电压最高的了，可以到1000V。
3、IGBT的构造和事理上面先容了Power MOSFET，而IGBT实在实质上还是一个场效应晶体管，从构造上看和Power MOSFET非常靠近，就在背面的泄电极增加了一个P+层，我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面先容的Power MOSFET实在根本上来讲它还是传统的MOSFET，它依然是单一载流子(多子)导电，以是我们还没有发挥出它的极致性能。所往后来发展出一个新的结 构，我们如何能够在Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗？以是自然的就在漏端引入了一个P+的injection layer (这便是名字的由来)，而从构造上漏端就多了一个P+/N-drift的PN结，不过他是正偏的，以是它不影响导通反而增加了空穴注入效应，以是它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电。以是原来的source就变成了Emitter，而Drain就变成了Collector了。
从上面构造以及右边的等效电路图看出，它有两个等效的BJT背靠背链接起来的，它实在便是PNPN的Thyristor(晶闸管)，这个东西不是我们刻意做的，而是构造天生的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就说了，这样的构造最要命的东西便是栓锁(Latch-up)。而掌握Latch-up的关键就在于掌握Rs，只要知足α1+α2<1就可以了。
其余，这样的构造好处是提高了电流驱动能力，但坏处是当器件关断时，沟道很快关断没有了多子电流，可是Collector (Drain)端这边还连续有少子空穴注入，以是全体器件的电流须要逐步才能关闭(拖尾电流, tailing current)，影响了器件的关断韶光及事情频率。这个可是开关器件的大忌啊，以是又引入了一个构造在P+与N-drift之间加入N+buffer层，这一层的浸染便是让器件在关断的时候，从Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer层就被复合掉提高关断频率，我们称这种构造为PT-IGBT (Punch Through型)，而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBT。
一样平常情形下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，紧张由于NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少)，而PT是负温度系数(由于P衬底较厚以是空穴注入较多而导致的三极管基区调制效应明显)，而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss)，以是如果须要同样的Vce(sat)，则NPT必须要增加drift厚度，以是Ron就增大了。
4、IGBT的制造工艺：IGBT的制程正面和标准BCD的LDMOS没差，只是背面比较难搞：
1) 背面减薄：一样平常哀求6~8mil，这个厚度很难磨了，随意马虎碎片。
2) 背面注入：都磨到6~8mil了，还要打High current P+ implant >E14的dose，很随意马虎碎片的，必须有专门的设备dedicate。乃至第四代有两次Hi-current注入，更是寻衅极限了。
3) 背面洗濯：这个一样平常的SEZ就可以。
4) 背面金属化：这个只能用金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。
5) 背面Alloy：紧张考虑wafer太薄了，随意马虎翘曲碎片。
5、IGBT的新技能：1) 场截止FS-IGBT：不管PT还是NPT结 构都不能终极知足无限high power的哀求，要做到high power，就必须要降落Vce(sat)，也便是降落Ron。以是必须要降落N-drift厚度，可是这个N-drift厚度又受到截止状态的电场约束 (太薄了随意马虎channel穿通)。以是如果要向降落drift厚度，必须要让截止电场到沟道条件前降下来。以是须要在P+ injection layer与N-drift之间引入一个N+场截止层(Field Stop, FS)，当IGBT处于关闭状态，电场在截止层内迅速降落到0，达到终止的目的，以是我们就可以进一步降落N-drift厚度达到降落Ron和Vce了。 而且这个构造和N+ buffer构造非常类似，以是它也有PT-IGBT的效果抑制关闭状态下的tailing电流提高关闭速率。
问题来了，这和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里？实在之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EPI做出来的，它是在P+ 衬底上长第一层~10um的N+ buffer，然后再长第二层~100um的N-Drift。这个cost很高啊！
而比较之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的根本上直接背面 打入高浓度的N+截止层就好了，本钱比较低，但是寻衅是更薄的厚度下如何实现不碎片。
2) 阳极短接(SA: Shorted-Anode)：它 的构造是N+集电极间歇插入P+集电极，这样N+集电极直接打仗场截止层并用作PN二极管的阴极，而P+还连续做它的FS-IGBT的集电极，它具有增强的电流特性且改变了本钱构造，由于不须要共封装反并联二极管了。实验证明，它可以提高饱和电流，降落饱和压降(~12%)。
6、IGBT的紧张I-V特性：IGBT你既可以把它当做一个MOSFET与PiN二极管串联，也可以当做是一个宽基区的PNP被MOSFET驱动(Darlington构造)， 前者可以用来理解它的特性，后者才是他的事理。它看起来便是一个MOSFET的I-V曲线今后挪了一段(>0.7V)，由于沟道开启迪生电流必须知足漂移区电流与漂移区电阻乘积超过0.7V，才能使得P+衬底与N-drift的PN结正引导通，这样才可以work，否则沟道开启也不能work的。
末了给大家吹吹牛吧，大家常常会听到第一代IGBT一贯到第六代IGBT，这些是什么意思呢？
1) 第一代：他便是IGBT的雏形，最大略的事理构造图那种，以是他必须要提高N-drift来提高耐压，以是导通电阻和关断功耗都比较高，以是没有遍及利用。
2) 第二代：PT-IGBT，由于耗尽层不能穿透N+缓冲层，以是基区电场加强呈梯形分布，以是可以减小芯片厚度从而减小功耗。这紧张是西门子公司1990~1995年的产品BSM150GB120DN1(\"大众DN1\"大众便是第一代的意思)。它紧张在600V上有上风(类似GTR特性)，到1200V的时候碰着外延厚度大本钱高、且可靠性低的问题(掺杂浓度以及厚度的均匀性差)。
3)第三代：NPT-IGBT，不再采取外延技能，而是采取离子注入的技能来天生P+集电极(透明集电极技能)，可以精准的掌握结深而掌握发射效率尽可能低，增快载流子抽取速率来降落关断损耗，可以保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗，同时具有正温度系数特点，以是技能比较成熟在稳态损耗和关断损耗间取得了很好的折中，以是被广泛采取。代表公司依然是西门子公司率先采取FZ(区熔法)代替外延的批量产品，代表产品BSM200GB120DN2，VCE>1200V, Vce(sat)=2.1V。
4)第四代：Trench-IGBT，最大的改进是采取Trench构造，是的沟道从表面跑到了垂直面上，以是基区的PIN效应增强，栅极附近载流子浓度增大，从而提高了电导调制效应减小了导通电阻，同时由于沟道不在表面，以是肃清了JFET效应，以是栅极密度增加不受限定，而且在第四代IGBT连续沿用了第三代的集电极P+implant技能同时加入了第二代的PT技能作为场终止层，有效特高耐压能力等。须要利用双注入技能，难度较大。这个时候是英飞凌的时期 了，Infineon的减薄技能天下第一，它的厚度在1200V的时候可以降落到120um~140um(NPT-IGBT须要200um)，乃至在600V可以降落到70um。
5)第五代：FS-IGBT和第六代的FS-Trench，第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技能改进实践后对各种技能方法的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技能”与“电场中止技能”的组合。第六代产品是在第五代根本上改进了沟槽栅构造，并以新的面貌涌现。
目前我国的总体能源利用效率为33%旁边，比发达国家低约10个百分点。当前我国节能事情面临较大压力。
根据“十一五方案”哀求，到2010年中国的能源利用效率将在2005年根本长进步20%。在新能源领域，中国已成为太阳能电池生产的第一大国，风力发电的累计装机容量也连续4年实现翻番，这意味着中国新能源市场蕴藏着巨大的商机。无论是太阳能电池、风力发电还是新能源汽车，其系统运用都须要把直流电转换为互换电，承担这一任务的部件称为逆变器。逆变器的核心器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，也是价格最高的部件之一，在国外，IGBT技能及产品不断更新换代，而我国目前还不具备大批量生产IGBT的能力，紧张都是珠海南车、北车生产的用于高铁的IGBT技能，还有华润微电子(想收购Fairchild)，还有华宏宏力貌似也有，现在国家重点扶持8寸的IGBT技能。(来源：芯苑网）
