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什么是溝槽柵極結構(Trench)IGBT?

作者:海飛樂技術 時間:2017-08-09 16:45

  到目前為止,所有的IGBT設計都有一個共同點平面柵極結構。這種形狀的柵極形成一個前文所述的JFET結構,以及發射極區軟弱的電導調制效應。對于平面柵極的IGBT,載流子的濃度從集電極到發射極之間逐步降低。新一代IGBT的設計目標是保持載流子濃度均勻分布,最好是逐步增加,這樣可以進一步降低通態損耗,而不會影響拖尾電流和關斷損耗,從而導致溝槽型柵極結構的出現。
  圖1a給出了基于PT IGBT原理的溝槽柵IGBT內部結構和電場分布圖,而圖1b是通過電子掃描顯微鏡拍攝的溝槽柵極結構的放大圖。這種結構與普通的平面柵極結構的主要區別在于,當IGBT開通時,P型發射區的反型溝道是垂直的而不是橫向的,這就意味著不存在JFET效應。由于大量電子的注入,發射區附近的電導調制效率很高。

圖1 溝槽柵IGBT內部結構和電場分布(不成比例)及柵極結構 
圖1 溝槽柵IGBT內部結構和電場分布(不成比例)及柵極結構
 
  所有這些都對載流子的濃度產生積極影響。作為比較,圖2給出了溝槽柵和平面柵結構IGBT內部載流子濃度比較。非常明顯,從集電極到發射極,溝槽柵IGBT的載流子濃度是逐步升高的,而平面IGBT則相反。發射區載流子濃度的設計與很多因素相關,其中包括IGBT元胞的尺寸和他們之間的距離,這樣就使得載流子濃度的調整有無限多的可能。然而應該牢記的是,更高的載流子濃度有利于降低通態損耗;另一方面,載流子越少,越有利于降低關斷損耗。事實證明,內部均勻的或者略微遞增的載流子濃度有利于平衡溝槽柵IGBT的靜態和動態損耗。
圖2 溝槽柵和平面柵結構IGBT內部載流子濃度比較 
圖2 溝槽柵和平面柵結構IGBT內部載流子濃度比較
 
  根據圖3所示的簡化電路圖,IGBT內部的電壓降可表示為:
UCEsat=UEmitter-Drain+UDrain-Collector     (1)
  UEmitter-Drain表示IGBT的發射極和等效MOSFET漏極的電壓,UDrain-Collector表示漏極到集電極之間的電壓??梢酝ㄟ^增加每個IGBT導電溝道的寬度來降低UEmitter-Drain。相比于平面柵IGBT,溝槽柵IGBT垂直結構的導電溝道更有利于設計緊湊的元胞。即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞,從而增加導電溝道的寬度。另外,UEmitter-Drain可以通過消除JFET效應的方法進一步降低。采取這些方法,可以消除UCEsat中UEmitter-Drain分量。也就是說,對于現代的IGBT,飽和壓降主要由UDrain-Collector決定。
圖3 IGBT簡化等效電路 
圖3 IGBT簡化等效電路
 
  增加導電溝道的寬度有利于電導率上升,但是也有它的缺點:較寬的導電溝道會增加IGBT短路時的電流。最不利的情況就是,短路電流可能會很大,以至于非常短時間內就損壞IGBT。為了使得IGBT具有10μs的短路能力(給定的測試條件下),需要非常小心地設計溝道寬度及相鄰的元胞。為此需要平衡元胞的尺寸和間距,或者不要把所有的柵極接到公共柵極,而是把一些單元的柵極和發射極直接短路。后者稱為插入合并單元工藝(Plugged Cell Merged,PCM)。平面柵IGBT和溝槽柵IGBT結構如圖4所示。
圖4 平面柵IGBT和溝槽柵IGBT結構 
圖4 平面柵IGBT和溝槽柵IGBT結構



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