目前，SiC和GaN等第三代宽禁带半导体材料宣传讨论的很火热，当然也已经开始推广应用了，但是Si仍然是半导体材料中的大佬，IGBT作为硅基的核心功率半导体器件，今天主要聊其两方面：IGBT的历代发展 & 主流的几个IGBT厂商。

等效电路拓扑：

划重点：注意虚线那块儿寄生的NPN，跟闩锁效应有关...

1980年前后，巴利伽发明了IGBT，从那开始到现在的IGBT共经历了六代，每代的情况如下：

第一代

第一代即平面栅穿通型(Punch Through)，采用较厚的P+硅衬底来作为IGBT的集电区，不需要增加额外的背面注入工艺，通过外延工艺生长出N+和N-漂移区，比较容易实现较薄的漂移区，和MOS管的工艺兼容性较强。

但是，由于外延工艺的成本和可靠性的限制，使得PT的产品主要用于600V的低压系列，并且其闩锁效应在大电流下不能得到有效的限制。

第二代

第二代采用的精细平面栅结构，解决了器件的闩锁效应，增加了N+缓冲层和少子寿命控制技术。

增加的N+缓冲层减薄了漂移区的厚度，使得饱和压降相应的降低；同时降低了背面发射结空穴的注入效率，有效地降低了过剩载流子在关断时产生电流拖尾的时间。

少子寿命控制技术，能够实现漂移区内载流子寿命的合理分布，进一步降低电流拖尾，相应地减小关断损耗；但是它会导致饱和压降呈现负温度系数，不易于并联。

第三代

第三代采用的是沟槽栅(Trench Gate)，用挖槽工艺去掉栅极下方的JFET区，相当于消除了JFET电阻的影响，可以有效地降低IGBT的导通压降以及导通损耗。

第四代

采用区熔单晶硅材料(区熔法可以生长出比直拉法更高阻值的单晶材料，因为区熔法更容易提纯晶体),背面P+集电区由离子注入和高温退火(为什么要退火？见掺杂那一篇)形成为了满足高压IGBT对漂移区掺杂均匀性和工艺成本的要求。结合非穿通型结构(Non Punch Through, NPT),使得器件的导通压降呈现正温度系数，易于并联，保证芯片并联时的均流。

第五代

第五代即电场截止型(Field-Stop，FS)，也可以称为弱穿通结构(Light Punch Through,LPT)或软穿通结构(Soft Punch Through)。FS-IGBT 结合了NPT和PT型结构的特点，进一步优化了缓冲层掺杂浓度，使得其只起到终止电场的作用，不会影响到背面P+区的空穴注入效率。相同耐压下，硅片厚度相对于NPT-IGBT来说减小了约1/3，单芯片耐压能够达到6500V。

第六代

第六代是将电场截止型和沟槽栅结合，在FS-IGBT基础上正面采用沟槽栅结构，优化正面和漂移区的载流子分布，结合空穴注入效率可调的集电区，导通压降进一步降低。

汇总：

第一代：直拉硅片、外延工艺、PT型--Vce(sat):2.3~2.6V

第二代：直拉硅片、外延工艺、精细平面栅--Vce(sat):2.1~2.3V

第三代：直拉硅片、PT型、沟槽栅--Vce(sat):1.7~2.0V

第四代：区熔硅片、NPT型--Vce(sat):1.5~1.8V

第五代：区熔硅片、FS型--Vce(sat):1.3~1.5V

第六代：FS型、精细元胞结构--Vce(sat):＜1.3V

目前，主流的IGBT厂家主要有英飞凌Infineon、三菱电机Mitsubishi、富士FUJI、塞米控Semikron、安森美ON、斯达StarPower、中车CRRC Times Electric、ABB等，均有推出IGBT产品以及不断地推成出新，不断提高其产品性能。下面来聊聊其中几家的IGBT特点。

Infineon

英飞凌，相信行业中没有人不知道的吧，作为目前占据国内功率器件大头的厂家，英飞凌有着足够大的产品系列，以及足够的市场资源。针对不同的应用，英飞凌设计和推出相适应的IGBT产品，如焊机用的Advantage系列；其结合沟槽栅和FS技术，推出了TRENCHSTOP™IGBT系列，电压等级从600V~1700V。下图是Infineon的芯片发展路线：

目前，其最新的一代IGBT7芯片，之前还有IGBT6，不过好像6仅是4的优化版，只有单管的应用，具体的可以参考Infineon的官网，IGBT1~IGBT7，已经七代了，内容着实丰富。

沟槽栅和场截止的结合，使得导通压降和导通损耗降低的同时，电流密度和电压阻断能力也在不断提高。Infineon的硅片减薄工艺使得场截止技术已经应用到400V~6500V的IGBT设计中，形成了足够庞大的产品系列，成为行业IGBT技术发展的领导者。

Mitsubishi Electric

三菱电机的IGBT产品，主要还是集中在高压范围，应用于牵引、大功率变频、电离传输、DC斩波等领域。下图是按照三菱电机自身的IGBT技术发展路线的划分：

三菱电机于1996年提出了CSTBT的器件结构(Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor)，通过引入载流子存储层(Carrier Stored,CS),和漂移区形成莫特势垒，来阻碍空穴向发射极流动，增强漂移区载流子的浓度，最终获得较低的导通压降。在2002年，三菱电机又针对N型缓冲层进行了优化，提出了LPT结构，降低总功率损耗，提高工作结温，以及更好地折衷导通饱和压降和开关损耗之间的关系。

三菱电机基于其CSTBT的技术，不断地迭代其IGBT技术，第五代采用成熟的CSTBT技术；第六代在此基础上，器件元胞间距更窄，芯片厚度更薄，优化CS层的掺杂浓度，改善拖尾电流等；接下来将会向CSTBT结构微细化和超薄化进一步发展。

除了三菱电机的CSTBT结构，东芝的IEGT结构、日立的HiGT结构和富士的Floating P-base结构均通过载流子增强来优化饱和压降和开关损耗之间的折衷关系。

ABB

ABB公司，其IGBT产品涵盖了1700V~6500V所有系列，应用于工业传动、功率变流、风力发电和牵引变流器等。其IGBT的技术采用SPT技术和EP(Enhanced Planar)技术，结构可以参考下图：

             SPT结构                               EP结构

SPT结构是在PT和NPT基础上发展而来，属于一种电场截止技术。和FS不同的是，SPT缓冲层的掺杂浓度分布是逐步递减至漂移区的。

通过优化SPT层和集电区的设计，能够使器件在关断时电流平稳下降，使得SC-SOA增大。ABB提出的EP-IGBT能够起到载流子增强的作用，有效地减小了导通损耗，效果类似于沟槽栅，同时EP结构能够提高IGBT的关断可靠性和短路承受能力。

当然，上述只是介绍了几个主流的IGBT发展路线，其他的厂家都有各自的杀手锏。除了集成反并联二极管的逆导型IGBT(RC-IGBT),还有双向耐压的逆阻型IGBT(RB-IGBT)和超结型IGBT(SJ-IGBT)等。除了芯片技术方面的发展，IGBT封装技术，散热材料，芯片互连和键合技术也在不断地发展和完善。

今天的内容就聊到这里，希望你们能够喜欢！

来源：功率半导体那些事儿

编辑：拓跋猴儿