IGBT的發展史及測試

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2023-02-21 09:45:04 628

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）于20世紀80年代初發明、開發并商業化。器件結構（圖4左側）可以設計為在*象限和第三象限（對稱IGBT）的結J1和J2處阻斷電壓，或者僅在*象限（不對稱IGBT）阻斷電壓。IGBT通過使用正柵極偏置創建MOS溝道來工作，該偏置將基極驅動電流輸送到內部寬基極P-N-P雙極晶體管。在同一漂移區內，通過溝道使用電子和通過P-N-P晶體管使用空穴產生集電極電流，稱為MOS雙極電流傳輸。該器件可以通過將柵極電壓降低到零來關閉電子供應。

由于采用了寬基極P-N-P晶體管，而不是當時用于功率晶體管的窄基極N-P-N晶體管，因此所提出的IGBT設計是一個具有革命性的改變。懷疑論者認為，這將嚴重限制電流，使該器件不如功率雙極晶體管。我的分析基于N基區（N漂移區）內的高電平注入，預測了即使在高電流密度下也具有低導通狀態壓降的P-i-N整流器式導通狀態特性。幸運的是，在制造和測試實際設備時，這種分析被證明是正確的。

IGBT的一個主要障礙是內部4層晶閘管的潛在閉鎖，這可能會導致破壞性故障。使用添加到基本雙擴散MOSFET工藝中的深P+區域（圖4左圖）能夠解決這個問題。當時人們認為IGBT僅適用于低工作頻率，因此限制了其應用，因為當時控制少數載流子壽命的方法會損壞MOS柵極結構。幸運的是，我發現了一種工藝，該工藝允許使用高能電子輻照來縮短漂移區的壽命，然后進行低溫退火工藝，以去除柵極氧化物中的損壞。這對于創建能夠在大范圍的交換速度下運行的IGBT至關重要（BaligaIEEE EDL，1983），從而在GE內部開辟了廣泛的應用領域。

根據我在1980年11月的演講，我預測了IGBT在通用電氣公司電機驅動、照明、電器和醫療部門的廣泛影響，董事長杰克·韋爾奇（Jack Welch）批準全力支持我的IGBT開發和商業化。基于這種支持，我能夠在不到10個月的時間內直接在功率MOSFET生產線上設計和制造IGBT。由于公司的嚴格審查，這必須在芯片設計和工藝定義過程中毫無瑕疵地完成，以確保*實驗成功。這是使IGBT大量用于GE制造*臺熱泵用可調速電機驅動器和新型燈具的關鍵一步，這些燈具是20世紀90年代商業化的緊湊型熒光燈的先驅。由于IGBT對通用電氣應用的價值，杰克·韋爾奇禁止發布任何有關IGBT的信息。1983年6月，半導體產品部宣布推出IGBT產品D94F4，最終打破了這一禁令。通用電氣公司推動了該產品的應用，并獲得了“年度產品”獎。從1983年到1985年，通用電氣發布了我關于IGBT屬性的文章，從1985年開始，日本的許多公司（東芝、三菱電機、富士電機）開發并推出了此類產品。

20世紀90年代，歐洲（ABB、西門子）也進行了IGBT創新。P+發射極區區域被晶圓底部具有低摻雜濃度的薄P擴散代替，以降低注入效率。研究發現，這可以減少替換電力機車驅動應用中的柵極關斷（GTO）晶閘管所需的極高電壓（>4kV）器件的開關損耗。這項技術在歐洲和日本得到迅速優化，廣泛應用于城市和長途公共交通。

通過采用溝槽柵極結構，改善了IGBT的導通狀態、壓降和開關速度之間的平衡。溝槽柵極設計（圖4右側）增加了溝道密度，為內部雙極晶體管提供了更多的驅動電流，以減少導通電壓降。另一個被證明可以提高高壓IGBT器件性能的設計創新是具有窄P基極區域的深溝槽結構（圖5）。這種方法增強了漂移區的電導率調制，從而產生較低的導通狀態電壓降。

在過去40年中，IGBT在各種應用中變得非常*，它被廣泛應用于各個領域，例如交通、照明、消費者、工業、醫療等，以提高全*數十億人的生活質量。1990-2020年，汽油動力汽車和卡車使用IGBT的電子點火系統的創建使汽油消耗量減少了1.8萬億加侖。1990-2020年間，使用IGBT的可調速電機驅動器的開發使電力消耗量減少73000太瓦時。使用IGBT電子鎮流器的200億盞緊湊型熒光燈的部署在1990年至2020年期間減少了5.99萬太瓦時的電力消耗。IGBT的這些應用為消費者節省了33.6萬億美元，同時在1990年到2020年間減少了181萬億英鎊的二氧化碳排放，以緩解全球變暖。

所有太陽能和風力發電都依賴于使用IGBT將能量轉換為可輸送到電網的穩定的50或60 Hz交流電。此外，IGBT用于驅動所有電動汽車中的電機的逆變器。因此，它將在消除發電和運輸部門的化石燃料以應對氣候變化方面發揮重要作用。

IGBT失效場合：來自系統內部，如電力系統分布的雜散電感、電機感應電動勢、負載突變都會引起過電壓和過電流；來自系統外部，如電網波動、電力線感應、浪涌等。歸根結底，IGBT失效主要是由集電極和發射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。

IGBT失效機理：IGBT由于上述原因發生短路，將產生很大的瞬態電流——在關斷時電流變化率di/dt過大。漏感及引線電感的存在，將導致IGBT集電極過電壓，而在器件內部產生擎住效應，使IGBT鎖定失效。同時，較高的過電壓會使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進入放大區，使管子開關損耗增大。

IGBT傳統防失效機理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來減小關斷過電壓；在集電極和發射極之間，放置續流二極管，并接RC電路和RCD電路等；在柵極，根據電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩壓二極管防止柵極過電壓。

分立器件動態參數測試系統，是針對MOSFET與IGBT分立器件的動態參數如開關特性、柵極電荷、短路特性、二極管的反向恢復特性、結電容等專門設計的一套全自動測試系統，額定測試電流不超過200A，測試電壓不超過1200V。

該測試系統具有如下特點：

該測試系統是一套集常規動態參數為一體的綜合測試系統；

該測試系統完全采用自動控制，測試可按測試員設定的程序進行動測試；

該系統采用計算機記錄測試結果，并可將測試結果轉化為EXCEL文件進行處理。

測試治具更換簡易、測試效率高。

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