CN104835841A - Igbt芯片的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT芯片的结构，包括ＭＯＳ场效应晶体管和三极管组成的ＩＧＢＴ单元，还包括控制开关Ｑ、电极N2 +和隔离罩，所述ＩＧＢＴ单元设置隔离罩内，隔离罩设置在电极N2 +内，控制开关Ｑ分别与电极N2 +和三极管连接，当ＩＧＢＴ单元正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，当ＩＧＢＴ单元反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态。本发明在不影响性能参数的同时基本解决了拖尾（snapback），并有效的将二极管集成在IGBT内部，真正实现了IGBT既有低的导通压降又有良好的开关速度，大大提高了器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT芯片的结构，属于半导体器件技术领域。
背景技术
由于IGBT具有高频率、大电流、高反压等优良特性,被广泛应用于汽车、高铁、家电、电力电子、航天航空、军事等领域。近年来IGBT各种新工艺、新技术不断的涌现和产生，使IGBT的性能更加完善和优良，例如，中国专利公开号“ 104183634A”公开的一种沟槽栅IGBT芯片，其公开日为2014-12-03。再如，中国专利公开号“ 101494239”公开的一种高速IGBT，其公开日为 2009-07-29。
但现有IGBT器件还存在一些问题需要解决，或者解决得并不能让人满意，比如拖尾（snapback）问题，该问题解决的好坏会影响器件发热，从而影响器件的可靠性。
目前提高开关速度减少拖尾（snapback）的主要方法是减少P+空穴的发射率，减少非平衡载流子寿命和阳极短路等方法，从减少空穴的发射率是能够改善拖尾问题，例如中国专利“ 101494239”，但是因发射率降低带来的是电调制的效果减弱，导通压降增高，使器件的发热量增大也会影响器件的可靠性。阳极短路和减少非平衡载流子寿命的方法其本质都是同减少发射率一样，可减少拖尾（snapback）和提高开关速度，但导通压降的增高并没有真正提高IGBT的性能，只是在导通压降和开关速度之间的平衡。一个优良的IGBT应同时具有导通压降低和良好的开关速度。并且由于IGBT本身只是一个单向导通器件，因此在应用中需要并联一个二级管来承受反向电压，这样对后道封装增加了难度，成本也上升了。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种IGBT芯片的结构。本发明在不影响性能参数的同时基本解决了拖尾（snapback），并有效的将二极管集成在IGBT内部，真正实现了IGBT既有低的导通压降又有良好的开关速度，大大提高了器件的可靠性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种IGBT芯片的结构，包括ＭＯＳ场效应晶体管和三极管组成的ＩＧＢＴ单元，其特征在于：还包括控制开关Ｑ、电极N2 +和隔离罩，所述ＩＧＢＴ单元设置隔离罩内，隔离罩设置在电极N2 +内，控制开关Ｑ分别与电极N2 +和三极管连接，当ＩＧＢＴ单元正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，当ＩＧＢＴ单元反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态。
所述当IGBT单元处于正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，PN结J2处于反向偏置状态，J1处于正偏状态。
所述当IGBT单元处于反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态，PN结J1处于反偏状态，PN结J2处于正偏状态，P+形成电子流出受阻的势垒，电极N2 +和控制开关Ｑ连接的电路形成电子流出通路。
所述ＩＧＢＴ单元反向导通时，电极N2 +、耗尽区N-和P形成一个二极管，二极管的N端连接在三极管的聚电极P+，二极管的P端与三极管的发射极连接。
所述ＩＧＢＴ单元与隔离罩内壁相接触，隔离罩外壁与电极N2 +内壁相接触。
所述ＩＧＢＴ单元为一个或多个。
所述隔离罩为由同一种绝缘材料制成的呈筒状的隔离罩。
所述隔离罩包括绝缘填充料和位于绝缘填充料表面的氧化层，绝缘填充料的膨胀系数与ＩＧＢＴ本体材料的膨胀系数接近。
所述控制开关Ｑ与三极管的聚电极P+连接。
采用本发明的优点在于：
一、本发明还包括控制开关Ｑ、电极N2 +和隔离罩，所述ＩＧＢＴ单元设置隔离罩内，隔离罩设置在电极N2 +内，控制开关Ｑ分别与电极N2 +和三极管连接，采用此结构，是在传统IGBT的基础上引入隔离罩、N2 +和器件Q，在不影响性能参数的同时基本解决了拖尾（snapback）问题，并有效的将二极管集成在IGBT内部，真正实现了IGBT既有低的导通压降又有良好的开关速度，大大提高了器件的可靠性。
二、本发明中，所述ＩＧＢＴ单元反向导通时，控制开关Ｑ导通，电极N2 +、耗尽区N-和P形成一个二极管，二极管的N端连接在三极管的聚电极P+，二极管的P端与三极管的发射极连接，采用此结构，不需要单独设置二极管，不仅降低了制造成本，而且从造工艺上来讲，工艺更简单，减少了设置的二极管，可靠性更高。
三、本发明中，所述ＩＧＢＴ单元与隔离罩内壁相接触，隔离罩外壁与电极N2 +内壁相接触，采用此结构，与不相接触相比，可减少材料用量，从而降低生产成本，减少电路连接容易出现的弊端。
四、本发明中，所述ＩＧＢＴ单元为一个或多个，根据需求电流大小，可选择设置ＩＧＢＴ单元的个数，适用范围更广。
五、本发明中，所述隔离罩为由同一种绝缘材料制成的呈筒状的隔离罩，制造工艺简单，成本低，但容易出现空洞。
六、本发明中，所述隔离罩包括绝缘填充料和位于绝缘填充料表面的氧化层，绝缘填充料的膨胀系数与ＩＧＢＴ本体材料的膨胀系数接近，使整个器件受膨胀系数影响变化基本一致，器件可靠性更高。
七、本发明与传统IGBT需要通过设置分压环相比，设置分压环需要较大的面积，导致整个IGBT体积较大，本发明通过设置隔离罩，不需要设置分压环，减小了体积，降低了制造成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明正向导通原理示意图
图3为本发明反向导通原理示意图。
具体实施方式
实施例1
一种IGBT芯片的结构，包括ＭＯＳ场效应晶体管和三极管组成的ＩＧＢＴ单元，还包括控制开关Ｑ、电极N2 +和隔离罩，所述ＩＧＢＴ单元设置隔离罩内，隔离罩设置在电极N2 +内，控制开关Ｑ分别与电极N2 +和三极管连接，当ＩＧＢＴ单元正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，当ＩＧＢＴ单元反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态。
本实施例中，所述当IGBT单元处于正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，PN结J2处于反向偏置状态，J1处于正偏状态。
本实施例中，所述当IGBT单元处于反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态，PN结J1处于反偏状态，PN结J2处于正偏状态，P+形成电子流出受阻的势垒，电极N2 +和控制开关Ｑ连接的电路形成电子流出通路。
本实施例中，所述ＩＧＢＴ单元反向导通时，电极N2 +、耗尽区N-和P形成一个二极管，二极管的N端连接在三极管的聚电极P+，二极管的P端与三极管的发射极连接。
本实施例中，所述ＩＧＢＴ单元与隔离罩内壁相接触，隔离罩外壁与电极N2 +内壁相接触。
本实施例中，所述ＩＧＢＴ单元为一个或多个。
本实施例中，所述隔离罩为由同一种绝缘材料制成的呈筒状的隔离罩。或者，所述隔离罩包括绝缘填充料和位于绝缘填充料表面的氧化层，绝缘填充料的膨胀系数与ＩＧＢＴ本体材料的膨胀系数接近，越接近受膨胀系数的影响越小。
本实施例中，如图所示，所述控制开关Ｑ与三极管的聚电极P+连接。隔离罩的上端设置在电极N2 +内。
本发明的工作原理如下：
当IGBT处于正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，PN结J2处于反向偏置状态，J1处于正偏状态，由于隔离罩的作用，电场对电极N2 +无影响；当IGBT处于反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态，PN结J1处于反偏状态，PN结J2处于正偏状态，电子流出受P+势垒的影响受阻后，向电极N2 +运动，通过控制开关Ｑ开启形成的通路运动流出。
实施例2
本发明是栅式高速IGBT结构，是在传统IGBT的基础上引入隔离罩、N2 +和器件Q。当IGBT处于正向导通时PN结J2处于反向偏置状态，PN结J1处于正偏状态，由于有隔离罩起到了一个隔离作用，因为隔离罩内有足够厚的绝缘材料，对N2 +没有任何影响，这样IGBT与传统的IGBT在正向导通的状态下是一样的，电流的方向如图2所式。当IGBT处于反向时，J1处于反偏状态，J2处于正偏，电子流出来就会因为P+势垒的影响受阻，电子要克服势垒阻力作功就会产生热量，电子数量越多热量就越大，就会影响器件的可靠性，因此目前主要是采取减薄厚度来减少电子数量，但减薄之后工艺制造难度就会加大，对设备和生产的要求就会很高。本发明IGBT在反向时场效应晶体管Q导通， N2 +、Q到聚电极没有P+那样的势垒阻力，所以电子就会向阻力小的地方运动，这样由于没有受到阻力电子很快就离开了N-飘逸区，而且所需要的时间很短，几乎可忽略，拖尾（snapback）问题因此也得到解决。因此该结构的IGBT既有导通压降低又有高频率的特点，同时大大降低了制造工艺难度。
本发明中，绝缘填充料可以是SiO、 SiN4、含氧多晶硅、玻璃等绝缘材料。
Claims (9)
1.一种IGBT芯片的结构，包括ＭＯＳ场效应晶体管和三极管组成的ＩＧＢＴ单元，其特征在于：还包括控制开关Ｑ、电极N2 +和隔离罩，所述ＩＧＢＴ单元设置隔离罩内，隔离罩设置在电极N2 +内，控制开关Ｑ分别与电极N2 +和三极管连接，当ＩＧＢＴ单元正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，当ＩＧＢＴ单元反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态。
2.根据权利要求1所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述当IGBT单元处于正向导通时，控制开关Ｑ处于关闭状态，PN结J2处于反向偏置状态，J1处于正偏状态。
3.根据权利要求1所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述当IGBT单元处于反向导通时，控制开关Ｑ处于开启状态，PN结J1处于反偏状态，PN结J2处于正偏状态，P+形成电子流出受阻的势垒，电极N2 +和控制开关Ｑ连接的电路形成电子流出通路。
4.根据权利要求1、2或3所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述ＩＧＢＴ单元反向导通时，电极N2 +、耗尽区N-和P形成一个二极管，二极管的N端连接在三极管的聚电极P+，二极管的P端与三极管的发射极连接。
5.根据权利要求4所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述ＩＧＢＴ单元与隔离罩内壁相接触，隔离罩外壁与电极N2 +内壁相接触。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述ＩＧＢＴ单元为一个或多个。
7.根据权利要求6所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述隔离罩为由同一种绝缘材料制成的呈筒状的隔离罩。
8.根据权利要求1、2、3或5 所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述隔离罩包括绝缘填充料和位于绝缘填充料表面的氧化层，绝缘填充料的膨胀系数与ＩＧＢＴ本体材料的膨胀系数接近。
9.根据权利要求8所述的IGBT芯片的结构，其特征在于：所述控制开关Ｑ与三极管的聚电极P+连接。
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