什么是 IGBT以及IGBT工作特性和IGBT的市場規模

什么是 IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+ 區稱為源區，附于其上的電極稱為源極。N+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區（包括P+ 和P 一區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（ Subchannel region ）。而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。
IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對N 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。

IGBT 的工作特性 Top
IGBT 的工作特性包括靜態和動態兩類：
1 ．靜態特性
IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。
IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。
IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關斷狀態。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。
IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通態時，由于它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示
Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh
式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。
通態電流Ids 可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——流過MOSFET 的電流。
由于N+ 區存在電導調制效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。

2 ．動態特性
IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。
IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。
IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。
IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1ｕm以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。

IGBT的發展歷史 Top
1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。這種器件表現為一個類晶閘管的結構（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。
80年代初期，用于功率MOSFET制造技術的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體）工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個時候，硅芯片的結構是一種較厚的NPT（非穿通）型設計。后來，通過采用PT（穿通）型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的[3]。幾年當中，這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結構，其設計規則從5微米先進到3微米。
90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結構。[4]在這種溝槽結構中，實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。
硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是采用非穿通（NPT）結構，繼而變化成弱穿通（LPT）結構，這就使安全工作區（SOA）得到同表面柵結構演變類似的改善。
這次從穿通（PT）型技術先進到非穿通（NPT）型技術，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術會有比較高的載流子注入系數，而由于它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術又被軟穿通（LPT）技術所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。
1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片結構，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向導通型”（逆導型）功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優化。
IGBT功率模塊采用IC驅動，各種驅動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術，從復合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發展，其產品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統效率，現已開發成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發展熱點。
現在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已制造出集成化的IGBT專用驅動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

TrendForce在最新《中國半導體產業深度分析報告》指出，受益新能源汽車、工業控制等終端市場需求大量增加，MOSFET、IGBT等多種產品持續缺貨和漲價，帶動2018年中國功率半導體市場規模大幅成長12.76%至2,591億元人民幣，其中離散式元件市場規模為1,874億元人民幣，較2017年成長14.7%;電源管理IC市場規模為717億元人民幣，較2017年增長8%。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201903/398523.htm
TrendForce分析師謝瑞峰指出，功率半導體作為需求驅動型的產業，2019年景氣仍然持續向上，雖然仍有貿易戰等不利因素影響，但在需求驅動下受影響程度要小于其他IC產品，TrendForce預估，2019年中國功率半導體市場規模將達到2,907億元人民幣，較2018年成長12.17%，維持雙位數的成長表現。

受益于中國國產替代的政策推動和缺貨漲價的狀況，2018年多家中國本土功率半導體廠商取得亮眼的成績，并擴大布局腳步。其中，比亞迪微電子憑藉擁有終端的優勢，在車用IGBT市場快速崛起，取得中?車用IGBT市場超過兩成的市占率，一躍成為銷售額位于中國前三的IGBT供應商;MOSFET廠商華微電子和揚杰科技營收大增，并且逐漸導入IGBT市場。

另外，有新建與規劃IGBT產線的廠商包含士蘭微廈門12寸特色工藝產線、華潤微電子在重慶建設的12寸特色工藝產線，以及積塔半導體專業汽車級IGBT產線等。同時，多家廠商也投入研發SiC等新材料技術領域，基本半導體的SiCMOSFET已進入量產上市，而定位為代工的三安光電SiC產線也已開始接單、比亞迪微電子也已研發成功SiCMOSFET，其目標是到2023年實現SiCMOSFET對矽基IGBT的全面替代。

展望2019年，從終端需求來看，新能源汽車仍然為中國功率半導體市場最大需求來源，根據TrendForce資料顯示，2019年中國新能源車產量預估為150萬輛，較前一年成長45%，其ADAS系統、電控以及充電樁的需求將帶動功率元件市場規模約270億元。

同時，5G建設所需的基站設備及其普及后帶來物聯網、云端運算的快速發展，將對功率半導體產生長期大量需求，另外，工業自動化規劃持續推進，與之相關的電源、控制、驅動電路將持續推升功率半導體的采購。

從供應端來看，2019年雖然有3-5條功率產線將進入量產，但根據TrendForce預計，2019年前三季度功率元件產品缺貨情況恐難有明顯好轉，多家廠商的產品價格預期仍將上漲。從廠商的技術發展來看，SiCMOSFET有望進一步提高在車用領域對矽基IGBT的替代率，矽基IGBT則有望向更低功耗、更高效率的方向繼續發展。

什么是 IGBT以及IGBT工作特性和IGBT的市場規模