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功率晶体管与IGBT的现状和发展

上世纪中叶以来，电子技术因为晶体管的出现而突飞猛进地发展，不但极大地促进了所有的行业发展，而且深刻影响着人类社会生活的方方面面。

在名目繁多的晶体管产品中，功率晶体管一开始主要应用在电力行业范围，又称电力电子器件。

专业人士认为，电力半导体器件可谓现代电力电子产业的“心脏”，能推动约8.4倍的电力电子产品、114倍的相关电子产品的发展；通过运用高频电力电子技术，可以大大提高电能的使用效率，节约20%-40%的电能源和90%以上的相关原材料，如对3KV以上的高压大容量风机、水泵、压缩机设备，采用电力电子变频调速技术，若电机系统运行效率提高8%，年节电量便高达800亿度，几乎是三峡水电站一年的发电量。

所以，电力电子器件从出现以来，一直以其超常的速度发展，稳据其它半导体器件之前。

一、电力电子器件的发展途径

十多年来，电力电子器件大致经历了三个发展阶段，也即有三个主要的发展途径:

提高器件的电流、电压容量是一个贯穿始终的目标;从80年代初期开始，在低功耗、多功能方面也作了很多努力;从1988年开始，又提出了智能化的要求。

下面将简要介绍在这三个方面所取得的进展。

1大容量化

功率器件的大容量化与其适用的频率有很大关系，随功率变换装置的控制方式从PAM（脉幅调制）进展到正弦波PWM（脉宽调制）方式，频率也提高到20kHz以上。

与此相应，GTR（包括单个双极晶体管、达林顿管和GTR模块）代替了过去的SCR，可覆盖耐压1500v、电流100OA以下的领域。

但在此容量以上时，由于GTR中hr。

降低和饱和压降增大的问题更为突出，GTO和SCR就成了主流器件。

目前，随IGBT等MOS复合器件的大容量化，即使过去认为是GTO领域的工业用电源和电车等也正在扩展到IGBT的应用范围。

2、低功耗、多功能化

从低功耗方面考虑，双极晶体管比起GTO来关断增益高，反向偏置驱动电路简单，因此普及较早。

进而出现了正向驱动电路也能简单化的MOSFET。

MOSFET有优良的开关性能，在耐压较低的情况下（如600V以下）导通电压也低，但由于是单极器件，不会产生电导率调制，在高耐压情况下有导通电压急剧增大的缺点，因此不可能全面替代双极晶体管。

具有MOS结构的双极器件IGBT兼有两种器件的优点，作为在功率MOSFET所不能达到的应用领域内的器件而快速发展。

它的频率可达到15kHz以上，在PWM控制的低噪声逆变器中起了主要作用。

但与过去驱动的双极逆变器比较，开关损耗大，冷却用散热片也需增大，效率低，这些问题在IGBT的普及中是个大的障碍。

为了改善这种状况，最近开发了第三代IGBT，在具有高速开关特性的同时，饱和电压达到与双极晶体管相当的2V以下的水平，几乎接近IGBT的理论极限。

今后还将采用开关性能与第三代IGBT相当、饱和电压进一步降低到1V左右的新型器件，如MOS1极晶闸管等。

3、智能化

最近几年除了开发及改进主电路功率部分中的功率器件外，包括外部国控制电路和保护电路的智能功率IC的开发也很活跃。

其主要方法一个是单片方式的智能功率IC，另一个是混合方式的智能功率模块。

前者最初用低压MOSFET为主要器件，多用于汽车工业，最近以高耐压IGBT作主要器件的高压功率IC也已发表，适用于容量较小的功率变换装置和功率器件驱动电路等。

后者最初以双极晶体管为主要器件，最近以IGBT为主要器件的智能功率模块也己实用化，已在从l马力驱动的家庭用空调逆变器到工业用中、大容量逆变器中应用。

今后随着功率器件性能的提高及需方对于设计时间短、组装工艺简单、装置小而轻等的要求，智能化器件的意义也将越来越大。

二、IGBT器件概念

IGBT是一种非常独特的器件。

西方发达国家迄今严守其核心技术秘密，不轻易向中国等发展中国家转让，可见其重要性。

IGBT是绝缘栅双极型晶体管（IsolatedGateBipolarTransistor）,它是八十年代初诞生，九十年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。

IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。

因此，IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破；应用频率硬开关5KHz～40KHz，软开关40KHz～150KHz；功率从五千瓦到几百千瓦的应用场合。

IGBT器件将不断开拓新的应用领域，为高效节能、节材，为新能源、工业自动化（高频电焊机,高频超声波,逆变器,斩波器,UPS/EPS,感应加热）提供了新的商机。

1、什么是IGBT

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型功率管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。

N+区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。

而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。

IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

IGBT的工作特性包括静态和动态两类：

图1N沟道IGBT示意图

（1）静态特性

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。

输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。

它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。

在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。

如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。

IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。

它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs（th）时，IGBT处于关断状态。

在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。

最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。

IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其β值极低。

尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。

此时，通态电压Uds（on）可用下式表示

Uds（on）＝Uj1＋Udr＋IdRoh

式中，Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～1V；Udr——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。

通态电流Ids可用下式表示：

Ids=（1+Bpnp）Imos

式中Imos——流过MOSFET的电流。

由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。

IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

（2）动态特性

IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。

td（on）为开通延迟时间，tri为电流上升时间。

实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td（on）tri之和。

漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。

当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：

器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。

因为IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。

因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td（off）为关断延迟时间，trv为电压Uds（f）的上升时间。

实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t（f1）和t（f2）两段组成，而漏极电流的关断时间t（off）=td（off）+trv十t（f）

式中，td（off）与trv之和又称为存储时间。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。

IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。

IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。

IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。

国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。

与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1μm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

2、功率半导体器件和IGBT的发展历史

功率半导体器件的发展，从时间上梳理，大致可分为三个阶段。

第一阶段：

上世纪六十到七十年代，各种类型的晶闸管和大功率达林顿晶体管有了很大的发展，或可称为是双极性的年代。

其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统，机车牵引等。

第二阶段是上世纪八十到九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域。

为近代蓬勃发展的4C产业：

即Communication，Computer，Consumer，Car（通信，电脑，消费电器，汽车）提供了新的活力。

二十一世纪前后，功率半导体器件的发展又进入了第三阶段，即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段

功率半导体器件在朝着两个方向发展：

双极性方向即超大功率方向；单极性方向。

这就和集成电路建立了密不可分的关系。

从技术进步的角度来说：

1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。

这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。

80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。

在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。

后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的。

几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。

90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。

在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。

硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。

这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。

这就是：

穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。

另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。

进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。

1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。

目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。

IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。

PIM向高压大电流发展，其产品水平1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。

平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。

IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。

智能化、模块化成为IGBT发展热点。

现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

IGBT的应用反过来极大地促进了有关行业的发展。

以我国电气传动与变频调速技术发展历史为例，从下表中可以看到，现阶段，IGBT成为行业升级的关键器件：

特征

应用年代

电动机机组传动

50年代初—70年代中

汞弧整流器供电的直流调速传动

50年代后—60年代后期

磁放大器励磁的发电机、电动机机组传动

60年代初—70年代中

晶闸管变流器励磁的发动机、电动机机组

60年代后期—70年代后期

晶闸管变流器供电的直流调速传动

70年代初—现在

饱和磁放大器供电的交流调速传动

60年代初—60年代后期

静止串级调速、交流调速传动

70年代中—现在

循环变流器供电的交流变频调速传动

80年代后期—现在

电压或电流型6脉冲逆变器供电的交流变频调速传动

80年代初—现在

BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动

90年代初—现在

三、IGBT的分类

IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。

与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

1、低功率IGBT

IGBT应用范围一般都在600V、1KA、1KHz以上区域，为满足家电行业的发展需求，摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，实用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子整流器、照相机等产品的应用。

2、U-IGBT

U（沟槽结构）--IGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞内部形成沟槽式栅极。

采用沟道结构后，可进一步缩小元胞尺寸，减少沟道电阻，提高电流密度，制造相同额定电流而芯片尺寸最少的产品。

现有多家公司生产各种U—IGBT产品，适用低电压驱动、表面贴装的要求。

3、NPT-IGBT

NPT（非传统型）--IGBT采用薄硅片技术，以离子注入发射区代替高复杂、高成本的厚层高阻外延，可降低生产成本25%左右，耐压越高成本差越大，在性能上更具有特色，高速、低损耗、正温度系数，无锁定效应，在设计600—1200V的IGBT时，NPT—IGBT可靠性最高。

西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPT—IGBT，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPT—IGBT及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中，NPT型正成为IGBT发展方向。

4、SDB--IGBT

鉴于目前厂家对IGBT的开发非常重视，三星、快捷等公司采用SDB（硅片直接键合）技术，在IC生产线上制作第四代高速IGBT及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在600V和1200V电压范围性能优良，分为UF、RUF两大系统。

5、超快速IGBT

国际整流器（IR）公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应，使其能快速关断，研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应，关断时间不超过2000ns，采用特殊高能照射分层技术，关断时间可在100ns以下，拖尾更短，重点产品专为电机控制而设计，现有6种型号，另可用在大功率电源变换器中。

6、IGBT/FRD

IR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD（快速恢复二极管）的新型器件，IGBT/FRD有效结合，将转换状态的损耗减少20%，采用TO—247外型封装，额定规格为1200V、25、50、75、100A，用于电机驱动和功率转换，以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联，在多芯片模块中实现更平均的温度，提高整体可靠性。

7、IGBT功率模块

IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。

PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。

平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。

IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。

智能化、模块化成为IGBT发展热点。

四、国内功率器件的市场状况

无论是电源管理IC还是功率分立器件，都是市场发展较快的电子器件，其增长率一直高于半导体整体市场的增长率，整体来看，近几年来中国功率器件市场的增长率都保持在20%以上，2002到2006年的复合增长率达到29.4%，市场的高速发展主要是因为使用功率器件的下游产品产量的大幅增长以及功率器件技术的快速更新。

图22002－2006年中国功率器件市场规模与增长数据来源：

赛迪顾问 2007，01

1、功率器件的产品结构

从功率器件的产品结构来看，功率IC和MOSFET的市场份额较大，分别占有40.4%和26.0%的市场份额，是中国功率半导体市场上最重要的两个产品，此外，大功率晶体管、达林顿管、IGBT和晶闸管也占有一定的市场份额。

几乎所有的电子产品都会用到功率IC，近年来，随着整机产量的增加，功率IC市场的发展也十分迅速。

功率MOSFET的应用也十分广泛，其中20V产品主要用于手机、数码相机，30V产品主要用于计算机主板、显卡，40V产品主要用于机顶盒和电动自行车，60V产品主要用于UPS、汽车雨刷、汽车音响、马达控制，80V以上产品主要用于LCDTV、LCD显示器和其他仪器仪表等，而150V-400V的产品主要用于照明、CRT电视、CRT显示器、背投电视、电热水器和洗衣机等，400V-800V产品主要用于发动机启动器、车灯控制、电机控制，嵌入式电源和电源适配器等，800V-1000V的产品主要用于风力发电、电焊机和中低压变频器等、1000V以上产品主要用于高压变频器、发电和变电设备等。

由于手机、数码相机、计算机主板、显卡、LCD显示器等产品产量庞大导致电压在20V-100V之间的MOSFET用量最大。

图32006年中国功率器件市场按产品分销售额（亿元）

IGBT虽然份额较小，但发展快速，从IGBT耐压范围上看，电压在600V-1200V之间的IGBT用量最大，目前在电磁炉、电源、变频家电等产品中使用的IGBT耐压一般都是600V和1200V。

低于600V的IGBT产品主要使用在数码相机闪光灯和汽车点火器上。

电压大于1200V的IGBT主要以1700VIGBT为主，该产品在高压变频器等工业产品上广泛使用。

2、功率器件的应用领域

从应用领域来看，中国功率半导体市场主要分布在消费电子、网络通信、计算机、工业控制等领域。

2006年中国功率半导体市场的销售额应用结构中，消费类占24.0%的份额，其次为工控领域，占23.4%的份额，计算机领域占21.8%，网络通信类占20.5%，这四大领域占据了中国功率器件市场近90%的市场份额。

此外，汽车电子和其它应用占10.3%的市场份额。

应该说网络通信领域是2006年中国电源管理芯片市场发展最快的领域，2006年中国网络通信类产品普遍具有较高的增长率，GSM手机、WLANAP、路由器、移动程控交换机、DSL终端和VOIP设备等产品产量都具有超过40%的增长率，通信类整机产品产量的高速增长直接带动了该领域功率器件市场的发展，网络通信领域占整体功率器件市场的比重较2005年有所上升。

图42006年中国功率器件市场按应用领域分销售额（亿元）

数据来源：

赛迪顾问 2007，01

最近2——-5年是高压变频调速领域大发展的最好时机，市场会出现倍增快

速增长，有可能达到100亿/年以上的市场规模，高压变频器市场在10年内不会饱和，国内应当能够出现5——-8家上规模的企业并逐渐取代国外产品，占到80%以上的市场份额，这是因为，国内厂家对这个市场，对中国用户更了解，开发的产品适用性更强，高压变频器毕竟不是一个完全标准化产品，总要结合各类用户的现场不同要求，做适当的二次开发，这点国外厂家和代理商不易做到。

国产高压变频器已经全面进入电力、冶金、石化、建材等重要领域，同时，国产高压变频器占有1/3的市场份额。

对于目前高压变频器的市场形势，更大的应用高潮正在逐步形成。

功率器件包括IGBT在这里大有可为。

3、国外厂商在我国国内市场的地位

在目前我国功率器件市场上，国外厂商占绝对优势，中国市场绝大多数的市场份额被国外厂商占据。

从目前全球功率半导体厂商的区域分布来看，主要是欧美、日本和台湾厂商。

另外从功率半导体厂商的类型来看，多数功率芯片厂商是IDM厂商，Fabless也占据了一定比例。

美国、日本和欧洲功率芯片厂商大部分属于IDM厂商，而中国台湾厂商则绝大多数属于Fabless厂商。

美国功率器件处