在《IGBT 模塊：技術(shù)驅(qū)動和應(yīng)用》一書第一章，第五小節(jié)中，作者介紹了IGBT的發(fā)展歷程及主要類型。IGBT的結(jié)構(gòu)多種多樣，但從縱向結(jié)構(gòu)來看可歸為穿通型，非穿通型。這兩類IGBT的劃分依據(jù)為：臨界擊穿電壓下P base-N drift結(jié)耗盡層的擴展是否穿透了N-基區(qū)。
- 電場分布
當(dāng)IGBT門極接低電平時，IGBT截止，集電極與發(fā)射極之間的電壓將由J2承擔(dān)，此時J2結(jié)反偏。這個PN結(jié)會擴展形成空間電荷區(qū)，因為N-區(qū)域低摻雜的特性，空間電荷區(qū)將主要在N-區(qū)域內(nèi)擴展。
PT和FS：這兩種IGBT結(jié)構(gòu)中存在一層濃度較高的N+ buffer層，因而電場在N-基區(qū)衰減較慢，而在N+ buffer層衰減較快，電場呈梯形分布。
NPT：電場以單一速率在N-基區(qū)中衰減，呈三角形分布
- 出現(xiàn)年代
PT(punch through)：最“古老”的IGBT技術(shù)，在1980~1990年間占據(jù)主導(dǎo)地位，英飛凌第一代IGBT就是采用的PT技術(shù)
NPT(non-punch through): NPT-IGBT由德國西門子公司于1987年推出，為上世紀(jì)90年代的主流產(chǎn)品。英飛凌第二代IGBT采用NPT技術(shù)
FS（field stop）: 2000年，西門子公司研制出新的IGBT結(jié)構(gòu)，fieldstop-IGBT(FS-IGBT)，它同時具有PT-IGBT和NPT-IGBT的優(yōu)點，至今一直居于主導(dǎo)地位。英飛凌第三代及以后的IGBT，均采用了FS技術(shù)
- 生產(chǎn)工藝
PT:以高濃度的P+直拉單晶硅為起始材料，先生長一層摻雜濃度較高的N型緩沖層（N-buffer層），然后再繼續(xù)淀積輕摻雜的N型外延層作為IGBT的漂移區(qū)，之后再在N型外延層的表面形成P-base、N+ source作為元胞，最后根據(jù)需要減薄P型襯底。如果要制作1200V或1700V耐壓的產(chǎn)品，需要比較厚的N-外延層，制作難度較大，且成本很高。
NPT：采用輕摻雜N- 區(qū)熔單晶硅作為起始材料，先在硅面的正面制作元胞并用鈍化層保護好，之后再將硅片減薄到合適厚度。最后在減薄的硅片背面注入硼，形成P+ collector, 激活雜質(zhì)后再淀積金屬鋁。區(qū)熔單晶硅成本大約為外延片的50%
FS: FS IGBT工藝與NPT類似，都是以輕摻雜N- 區(qū)熔單晶硅作為起始材料，完成正面元胞制作之后再進行背面工藝。不同的是，F(xiàn)S IGBT在硅片減薄之后，首先在硅片的背面注入磷，形成N+ buffer, 最后注入硼，形成P+ collector, 激活雜質(zhì)后再淀積金屬鋁。FS相對于NPT 而言，背面增加了N型注入、硅片更薄，硅片在加工過程中的碎片率上升。更薄的N-區(qū)電阻小，使VCESAT更低；更薄N-層導(dǎo)通時存儲的過剩載流子總量少，使關(guān)斷時間及關(guān)斷損耗減少。
- 發(fā)射極效率
PT: 為了保證器件導(dǎo)通電阻不致太高，必須將背發(fā)射區(qū)的濃度設(shè)得足夠高以提高電導(dǎo)率，這就導(dǎo)致了背面PN結(jié)有極高的注入效率。PT IGBT結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：器件導(dǎo)通時，高的發(fā)射極效率可使大量空穴迅速地從背面注入到N-基區(qū)中，同時電子流經(jīng)器件表面反型溝道注入到N-基區(qū)中，這樣在基區(qū)可形成很好的電導(dǎo)調(diào)制，使通態(tài)壓降很低。
NPT(FS)：與PT-IGBT相比，NPT(FS)-IGBT的背P+發(fā)射區(qū)極薄且摻雜濃度相對較低，所以NPT-IGBT背發(fā)射區(qū)注入效率比PT-IGBT低得多。雖然NPT(FS)-IGBT背發(fā)射極注入效率較低且基區(qū)較寬，但由于基區(qū)少子壽命很長，使得基區(qū)載流子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)更加顯著，NPT型IGBT的飽和壓降并不比PT高。
FS-IGBT: FS-IGBT具有N+緩沖層，從而所需的N-基區(qū)較薄，這一點類似于PT-IGBT, 同時FS-IGBT具有較低的背P+發(fā)射效率，這一點類似于NPT-IGBT
- 拖尾電流
PT: PT-IGBT結(jié)構(gòu)中高濃度厚發(fā)射區(qū)的存在一方面增大了發(fā)射效率，增加了基區(qū)存儲過剩載流子數(shù)目，另一方面器件關(guān)斷時，空穴無法從背P+區(qū)流出而只能在n-基區(qū)靠自身復(fù)合而消失，導(dǎo)致明顯的拖尾電流，從而延緩器件的關(guān)斷，關(guān)斷時間的加長導(dǎo)致了器件關(guān)斷損耗的增加。因此，為了改善PT-IGBT的關(guān)斷速度，通常需要引入少子壽命控制技術(shù)。常用的少子控制技術(shù)有：電子輻照，重金屬摻雜，質(zhì)子輻照等。但在改善開關(guān)特性的同時，往往會引入器件參數(shù)漂移、特性退化、穩(wěn)定性差等問題。
NPT: 在NPT-IGBT中，因為背發(fā)射極電流中電子流成分很大，器件關(guān)斷時，基區(qū)存儲的大量電子可以通過流向背發(fā)射區(qū)而很快清除掉，空穴可以迅速流向P阱，所以拖尾電流小，開關(guān)損耗小，因此不需要少子壽命控制技術(shù)。另外NPT型IGBT有一個突出優(yōu)點就是器件關(guān)斷時拖尾電流隨溫度變化很小，器件的可靠性很高。
FS:FS相對于NPT，拖尾電流持續(xù)時間更短。這是因為反向電壓恢復(fù)到直流母線電壓時，P+N結(jié)耗盡層已經(jīng)擴展到FS層或接近FS層，尚未被抽出的過剩載流子就很少了。所以FS具有NPT的優(yōu)點而功耗更小。
- 溫度系數(shù)
PT：很大的電流范圍內(nèi)是負(fù)溫度系數(shù)。PT-IGBT在室溫下載流子的壽命較短，但隨著溫度的升高而變長，載流子的濃度升高，即等效電阻隨溫度的升高而下降。即正向壓降Uce減小。
NPT,FS：很大的電流范圍內(nèi)是正溫度系數(shù)。NPT-IGBT中，載流子壽命較長，溫度的增加對載流子增加影響很小。在這種情況下，隨著溫度升高，降低的載流子遷移率u和增加的集電極及發(fā)射極的接觸電阻成為影響導(dǎo)通壓降的主要因素。在非常低的正向電流時，NPT IGBT也表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)電流稍微增大時，IGBT就轉(zhuǎn)化為正溫度系數(shù)。因此，在實際應(yīng)用中，可以認(rèn)為NPT-IGBT具有正的溫度系數(shù)。
- 總結(jié)
綜上所述，PT, NPT,FS 型IGBT主要區(qū)別可以歸納為下表
參考文獻(xiàn)：
【1】Andreas Volke, Michael Hornkamp, IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用
【2】Vinod Kumar,Khanna，IGBT theory and design
【3】劉興明，新結(jié)構(gòu)低功耗IGBT縱向結(jié)構(gòu)的仿真研究
