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一文看懂IGBT的七代发展史 2019-11-23 17:43:26   阅读938

来源:内容来自“英飞凌工业半导体”。作者:赵佳,谢谢你。

公元2018年,igbt江湖震惊了第六代和第七代领导人。那时,聚光灯下没有什么区别。全世界吃瓜的人都在猜测这两位英雄的来历。不禁让人梳理了英国家族这些年来,领导这几代人的头,分别是:

看起来我分不清谁是谁。

虽然这些igbt“领导者”表面上看起来是一样的,但他们都是男人秀类型。只能脱掉衣服,做一个“核心”脏手术。。。

像这样,在芯片上,横向切割。

似乎有点不同。。。

故事从这里开始。。。

史前时代

Pt是第一代igbt。它以重掺杂的p+衬底为起始层,在其上依次生长n+缓冲层和n-基外延层,最后在外延层表面形成细胞结构。它之所以被命名是因为当它被关闭时,电场穿过整个n基区域。它工艺复杂,成本高,载流子寿命可控,负饱和压降温度系数,不利于并联。尽管它曾在20世纪80年代主宰世界,但在80年代后期逐渐被《不扩散条约》所取代。目前已经退居江湖,目光内敛。目前英飞凌的所有igbt产品都不使用pt技术。

第一代领导人——IGBT 2

特征:平面网格,非贯通结构(npt)

Npt-igbt于1987年出山,很快在90年代成为江湖霸主。Npt与pt的不同之处在于它使用低掺杂n衬底作为起始层。mos结构首先形成在n漂移区的前侧,然后通过研磨减薄工艺将其从后侧减薄到igbt电压规格要求的厚度,然后通过离子注入工艺从后侧形成p+集电极。关闭时,电场不会穿透n漂移区,因此被称为“非穿透”igbt。Npt不需要载流子寿命控制,但其缺点是,如果需要更高的电压阻断能力,必然需要具有更高电阻率和更厚厚度的n漂移层,这意味着饱和传导电压vce(sat)也会上升,从而大大增加器件的损耗和温升。

技能:低饱和压降,正温度系数,125℃工作结温,高鲁棒性

因为n漂移区的厚度大大减小,所以vce(sat)与pt相比大大减小。正温度系数有利于并联。

名称:dlc、kf2c、s4…

等等,好像有什么奇怪的东西混进来了!

没错。S4并不是真正的igbt4,而是幼苗红根正的igbt2,适合高频开关应用,硬开关频率可以达到40khz。这种明星产品至今仍很畅销。

性能飞跃-IGBT 3

特点:沟槽门,场停止

igbt3的出现给igbt的江湖带来了一场大革命。igbt3的细胞结构从平面变为沟槽。在沟槽igbt中,电子沟道垂直于硅片表面,消除了jfet结构,增加了表面沟道密度,增加了表面附近的载流子浓度,从而优化了性能。(平面栅极和沟槽栅极技术之间的差异可以参考我们之前发表的文章“平面和沟槽igbt结构的分析”)。

在纵向结构方面,为了缓解阻塞电压和饱和压降之间的矛盾,英国家族在2000年引入了场停止igbt,目标是尽可能减小漂移区厚度,从而降低饱和电压。场停止(field stop)igbt的起始材料与npt相同,是低掺杂的n衬底。不同之处在于在fs igbt的背面注入了一层n缓冲层,其掺杂浓度略高于n衬底。因此,电场强度可以迅速减小,使得整个电场为梯形,从而大大减小了所需的N漂移区厚度。此外,n缓冲器还可以降低p发射极的发射效率,从而降低关断期间的拖尾电流和损耗。(有关不扩散条约和现场截止装置之间差异的更多信息,请参考pt、不扩散条约和fs igbt之间的差异)。

技能:低导通压降,125℃工作结温(600伏器件为150℃),开关性能优化

由于场截止和沟槽单元,igbt3具有较低的导通状态压降,典型的vce(sat)范围从第二代的典型3.4到第三代的2.55v(例如3300v)。

名称:t3、e3、l3

Igbt3在中低压领域已基本被igbt4所取代,但在高压领域仍占主导地位。例如,3300v、4500v和6500v的主流产品仍然使用igbt3技术。

中流砥柱——IGBT 4

Igbt4是目前使用最广泛的Igbt芯片技术,电压为600伏、1200伏、1700伏,电流范围为10a至3600安。它可以在各种应用中看到。

特征:沟槽栅极+场截止+薄晶片

像igbt3一样,它是场截止+沟槽栅极结构,但是igbt4优化了背结构,具有更薄的漂移区厚度,并且优化了背P发射极和n缓冲器的掺杂浓度和发射效率。

技能:开关频率高,开关柔软度优化,工作结温150℃

Igbt4通过使用薄晶片和优化背部结构,进一步降低开关损耗,并具有更高的开关灵活性。同时,最大允许工作结温从第三代的125℃提高到150℃,这无疑将进一步提高器件的输出电流能力。

名称:t4、e4、p4

T4是一个低功耗系列,开关频率高达20khz。

E4适合开关频率高达8khz的中等功率应用。

P4进一步优化了开关软度,更适合大功率应用。开关频率高达3khz。

土豪上台——IGBT 5

“土豪金”芯片

特征:沟槽栅极+场截止+铜覆盖表面

Igbt5是所有Igbt系列中最本地化的产品。铝用于其他芯片的表面金属化,而厚铜用于igbt而不是铝。铜的电流和热容量远远优于铝,因此igbt5允许更高的工作结温和输出电流。同时,优化了芯片结构,进一步减小了芯片厚度。

技能:工作结温175℃,饱和电压1.5v,输出电流能力提高30%

因为igbt5的表面覆盖着铜并且是先进的。模块封装采用xt封装技术,工作结温可达175℃。与igbt4相比,芯片厚度进一步减小,饱和压降降低,输出电流能力提高30%。

名称:e5、p5

目前,igbt5芯片仅采用primepack封装,电压仅为1200v和1700v,代表产品ff1200r12ie5和ff1800r12ip5。

真假李悝jy -挖沟机5

在单管行业,有一类产品称为trench stop 5。人们经常听到人们问h5、f5、s5和l5是否是igbt5。严格来说,不是。虽然所有名称都包含5个,但5个系列的单管h5、f5和s5属于另一个名为trench stop 5的系列。这个家族没有“黄金盔甲”(Golden Armor)的祝福,它的基因不同于igbt5。

特性:精细沟槽栅极+场截止

尽管它们都被称为trench gates,但trench stop 5看起来仍与之前的版本大不相同。它的通道更密集,电流密度更高。在实现最佳运行性能的同时,它不具有短路能力。

技能:最高工作结温175℃,开关频率高,无短路能力

性能和短路总是一对矛盾。为了追求卓越的性能,trench stop 5牺牲了短路时间。trench stop 5可实现极低的传导损耗或极高的开关频率,最高开关频率可达70~100khz,最低传导压降可低至1.05v,具体取决于应用目的。

名称:h5、f5、s5、l5

trench stop 5目前只有650v器件,是一种分立器件。该系列产品针对不同应用的导通状态损耗和开关损耗进行了优化。H5/f5适合高频应用,l5的传导损耗最低。下图显示了trade stop 5产品在折衷曲线上的位置。

冉冉升起的新星——IGBT 6

虽然6个引线和4个引线之间有5个间隙,但6个实际上是4个的优化版本,仍然是沟槽栅极+场截止。Igbt6目前仅用于单管。

特征:沟槽栅极+场截止

器件结构类似于igbt4,但反向p+注入得到优化,从而获得新的折衷曲线。

技能:最高工作结温175℃,rg可控,3us短路

Igbt6目前有两个系列产品,s6传导损耗低,VCE (SAT)为1.85伏;H6开关损耗低,比h3低15%。

名称:s6、h6

Igbt6仅封装在单管中,例如ikw15n12bh6、ikw40n120cs6、to-247 3pin、to-247 plus 3pin、to-247 plus 4pin。

人民的关注——IGBT 7

经过几代厚产品和薄头发,igbt终于在2018年迎来了备受期待的igbt7。

特点:微沟槽栅极+场截止

虽然它们都是沟槽门,但整个结构与另一个微字大不相同。Igbt7具有更高的通道密度、精心设计的单元间距和优化的寄生电容参数,从而在5kv/us下实现最佳开关性能。

有关igbt7的更多信息,请参考:1200v igbt7和emcon7具有更好的可控性,有助于改善逆变器系统的性能。

技巧:过载结温175℃,dv/dt可控

Igbt7 vce(sat)比igbt4低20%,可实现高达175℃的瞬态工作结温。

名称:t7、e7

代表性产品有:fp25r12w1t7。T7专门针对电机驱动器进行优化,可以在5kv/us下实现最佳性能。E7更广泛地应用于电动商用车驱动器、光伏逆变器等。

表格可以读取igbt1234567

俗话说,

江山代有人才,每届领导都没有两年。

7已逐渐成熟并独立存在。

还远吗?

让我们拭目以待吧!

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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