不同结构的IGBT模块的特点及工作原理

不同结构的IGBT特点及工作原理

(1)p沟IGBT
  在数字秒仪表控制电路中常常采用互补器件技术来提高电路的负载能力和抗干扰能力，降低功耗。譬如n沟MOS与p沟MOS并联组成的CMOS结构。p沟IGBT即是为此目的而开发。由于硅中空穴的迁移率只有电子迁移率的1/3左右，相同尺寸p型沟道的通态电阻是n型沟道的3倍左右，所以p沟功率MOS很少使用。但是IGBT的情况有所不同。由于集电结J1的注入作用，p沟IGBT正向导通时由集电区注入到长基区的是迁移率高的电子，其电导调制效果比n沟IGBT强，在栅压足够高的线性工作区状态下，这足以弥补沟道电阻的增高。n沟IGBT的沟道电阻虽然相对较低，但其J1结向基区注入的是迁移率较低的空穴。所以，在条件相同的情况下，p沟IGBT和n沟IGBT的通态压降其实很接近，使之更适合于互补结构的应用。
 
  (2)高压IGBT
  跟功率MOS一样，提高IGBT的阻断电压也需要提高其长基区的材料电阻率，并增加其宽度。但是，由于j1结的高密度少子注入，长基区的材料电阻率对通态压降并无多大影响。IGBT的通态压降主要决定于长基区的宽度。当IGBT的阻断电压随长基区的加宽和材料电阻率的增高而提高时，与相同条件下的功率MOS相比，其通态压降的增加要小得多。用阻断电压分别为300V、600V和1200V的对称结构IGBT器件所作的通态特性比较测试结果表明，IGBT的通态电流密度近似地随着击穿电压值的平方根的增加而减小。电流密度以这种较为平缓的比率减小的特点，表明了开发高压大电流IGBT的可行性。
 
  (3)高温IGBT
  如前所述，IGBT的MOSFET部分和pin二极管部分互补的高温特性使其很适于在高温环境下使用，尤其是针对高温应用目的而充分利用了这种互补性而设计的高温IGBT。这种器件在额定电流下的通态压降几乎不随温度变化，而在最高允许电流下具有一定大小的正温度系数，从而确保良好的均流效果，有利于组装大电流模块。高温IGBT通常都采用图1所示的短基区局部短路的非对称器件结构，进一步防止寄生晶闸管在高温工作状态下可能发生的自锁效应。

 

 
  (4)槽栅IGBT
  槽栅IGBT的栅极结构与图2所示的UMOS相同，可将其看成是将UMOS的n+衬底换成p+衬底的结果，因而又叫UMOS-IGBT。与UMOS类似，其U形槽必须挖到j2结之下，以使n+发射极与n基区之间能够用栅压感应的n型沟道连通。如此一来，槽栅IGBT中就消除了DMOS和平面栅IGBT中都存在的累积层电阻Ra和寄生JFET电阻Rj。此外，槽栅结构可以缩小器件单元的中心距，使沟道密度增加。因此槽栅IGBT的通态特性有很大改善，在n基区额外载流子寿命较高的场合，其通态压降相对于平面栅IGBT能降低大约1/3；在为了提高开关速度而降低额外载流子寿命的情况下，这两种结构的通态压降会相差更大。槽栅IGBT的抗自锁能力也比平面栅IGBT高。这归因于槽栅结构中空穴电流路径的改变。