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讀書心得|PT,NPT,F(xiàn)S型IGBT的區(qū)別

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

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