CN109643711B

CN109643711B - 具有改进的钳位布置的igbt

Info

Publication number: CN109643711B
Application number: CN201780030635.8A
Authority: CN
Inventors: 贾斯汀·耶杰
Original assignee: Lite Co ltd
Current assignee: Lite Co ltd
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: CN109643711A

Abstract

在一个实施方案中，一种绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置，可以包括NMOS部分和PNP部分，其中所述PNP部分耦合到所述NMOS部分。所述PNP部分可包括基极和集电极。所述IGBT还可以包括反激钳，其中所述反激钳耦合在所述PNP部分的所述基极与所述集电极之间。

Description

具有改进的钳位布置的IGBT

背景技术

相关技术讨论

绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置是半导体装置，所述半导体装置具有由金属氧化物半导体(MOS)栅极结构控制的四个交替层(P-N-P-N)。因此，IGBT装置(本文也称为IGBT)可以被认为是具有双极晶体管的输出开关和传导特性的混合型装置，同时如在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中那样是电压控制的。具体地讲，IGBT单元可以与n沟道垂直功率MOSFET(NMOS部分)类似地构造，其中n⁺漏极用p⁺集电极层替换，从而形成垂直PNP双极结型晶体管。

在操作中，当IGBT进入关断状态时，IGBT的PNP双极结型晶体管部分(“PNP部分”)可以被设计为在感应反激运行周期期间通过(钳位)电流。例如，已知的IGBT设计可以采用钳位结构，该结构以线性模式接通IGBT的NMOS部分，以使PNP部分能够通过钳位电流。在感应反激周期期间以线性模式接通NMOS可能由于高电压/高电流条件而对IGBT装置施加非常大的压力，并且可能限制IGBT装置的能量性能和稳健性能力。

针对这些和其他考虑因素，提供了本公开。

发明内容

在一个实施方案中，提供了一种绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置。IGBT可以包括NMOS部分和PNP部分，其中PNP部分耦合到NMOS部分。PNP部分可包括基极和集电极。IGBT还可以包括反激钳(flyback clamp)，其中反激钳耦合在PNP部分的基极与集电极之间。

在另一个实施方案中，提供了一种操作绝缘栅双极晶体管(IGBT)的方法。该方法可以包括将IGBT从接通状态切换到关断状态；以及在关断状态下接通IGBT的PNP部分，其中在关断状态下的反激钳位期间IGBT的NMOS部分保持处于关断条件下。

附图说明

图1示出了根据本公开实施方案的IGBT的一种实现方式的电路表示；

图2示出了根据本公开的各种实施方案的IGBT的平面图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明实施方案，在附图中示出了各种实施方案。这些实施方案可以许多不同的形式体现，并且不应被视为限于本文阐述的实施方案。提供这些实施方案，使得本公开将是彻底的和完整的，并向本领域技术人员完整传达所述实施方案的范围。在附图中，相同的标号始终表示相同的元件。

在以下描述和/或权利要求中，可能在以下描述和权利要求中使用到术语“在......上”、“上覆于”、“设置在......上”和“在......上方”。“在......上”、“上覆于”、“设置在......上”和“在......上方”可用于指示两个或更多个元件何时彼此直接物理接触。术语“在......上”、“上覆于”、“设置在......上”和“在......上方”也可以表示两个或更多个元件何时彼此不直接接触。例如，“在......上方”可以表示何时一个元件在另一个元件之上而不与另一个元件接触，并且可以在这两个元件之间具有另外一个或多个元件。此外，术语“和/或”可以表示“和”，可以表示“或”，可以表示“排他性的或”，可以表示“一个”，可以表示“一些而不是全部”，可以表示“两者都不”，和/或可以表示“两者兼而有之”。所要求保护的主题的范围不限于该方面。

本发明实施方案总体涉及改进的IGBT装置，或简称为“IGBT”。在本发明实施方案所提供的改进之中包含改进能量处理和稳健性。根据各种实施方案，在IGBT中提供新的钳位电路，该电路有助于在反激钳位期间将IGBT的NMOS部分保持处于关断状态。在特定实施方案中，IGBT可通过使用二极管堆叠以接通PNP部分而进入反激钳位。二极管堆叠可以代替NMOS装置来汲取基极电流。通过在反激钳位期间使IGBT的NMOS部分保持处于关断状态，可以改进单脉冲非钳位感应开关(unclamped inductive switching,UIS)事件或重复UIS期间的能量处理性能。本公开的一些实施方案可以包括基极到发射极上拉电阻器以提供改进的I_CES泄漏性能。

现在参考图1，示出了根据本公开实施方案的IGBT 100的电路表示。在图1的实施方案中，IGBT 100包括PNP部分102、NMOS部分103和RG电阻器104，该电阻器连接到NMOS部分103的栅极。IGBT 100还可以包括耦合在IGBT 100的PNP部分102的栅极与集电极114之间的RGE电阻器105。值得注意的是，PNP部分102的集电极114可以等同于IGBT 100的发射极，而PNP部分102的发射极112可以等同于IGBT 100的集电极，如在已知装置中那样。另外，反激钳101可以耦合到IGBT 100的PNP部分102的基极和漏极(集电极114)。

如图1中所示，一些实施方案可以包括耦合在IGBT 100的PNP部分102的发射极112与基极116之间的电阻器106。该可选电阻器可以降低电流泄漏。另外，一些实施方案可以省略RG电阻器104。移除RG电阻器104可以增加开关速度。

在各种实施方案中，反激钳101可以实现为二极管堆叠，诸如由多晶硅形成的一对多晶硅二极管(多晶硅二极管堆叠)。如图所示，形成相对的二极管，其中相对的阴极以阴极到阴极配置彼此连接。

现在参考图2，示出了根据本公开实施方案的IGBT 200的平面图。IGBT 200集成到半导体管芯中并包括实现为多晶硅二极管堆叠的反激钳，如上所述。具体地讲，IGBT 200可以设计有宽反激钳，示出为反激钳101，其携带IGBT 200的PNP部分的所有基极电流或大部分基极电流。还示出了发射极区202和栅极204。

具体地讲，一些实施方案可以包括电阻器106，该电阻器作为集成基极-发射极电阻器集成到形成IGBT 100或IGBT 200的半导体管芯(半导体衬底)诸如硅衬底中。如图1所示，电阻器106设置在PNP部分102的基极与发射极之间。集成的基极-发射极电阻器可以改进升高电压下的I_CES泄漏(集电极/发射极泄漏，其中基极短接到发射极)。电阻器106可以起到在接近钳位电压的电压下延缓PNP部分102的V_BE(基极-发射极电压)的作用。电阻器106可以减小进入PNP部分102的集电极114的β倍增电流。

在一些实施方案中，IGBT可以引导PNP基极电流通过外延层接触环。重新引导PNP基极电流可以减少IGBT内核中的电流拥挤或功率耗散。

在一些实施方案中，可以这样布置IGBT，其中在厚度和组成方面，形成IGBT的各种部件的衬底和层堆叠与已知的IGBT类似或相同。由于使得存在如上所述实现的反激钳，和/或引导PNP基极电流通过外延层接触环，因此本发明实施方案的IGBT的NMOS部分在高功率事件期间可以是稳定且稳健的。高功率事件的示例可以是V_GS(栅极-源极电压)为0V而V_DS(源极-漏极电压)高于400V的情况。在各种实施方案中，在作为IGBT的PNP部分的基极与集电极之间的二极管堆叠实现的反激钳上的功率耗散可以均匀分布。在二极管堆叠上的功率耗散的示例可以是每个二极管段大约6.5V乘以电流。这些电压值仅仅是本公开的一个实现方式的说明性示例。本公开的各实施方案可以在二极管堆叠上使用不同的高功率事件电压电平或不同的电压分布。

本公开的各实施方案可在反激事件期间具有改进的能量处理能力。一些实施方案可以改进非钳位感应尖峰额定值或自钳位感应开关能量能力。借助于本发明实施方案的架构和电路布置，可以在感应反激事件期间避免IGBT的集成MOSFET部分(诸如NMOS)的操作，因而降低MOSFET部分被损坏的风险。一些实施方案可以经受单脉冲最大能量处理事件或寿命重复钳位测试。仅作为一个示例，本公开可以应用于汽车点火IGBT或其他IGBT应用。

虽然本发明实施方案已经参考某些实施方案进行了公开，但是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的领域和范围的情况下，可以对所描述的实施方案进行多种修改、变更和改变。因此，本发明实施方案可以不限于所描述的实施方案，而是具有由所附附权利要求的语言及其等同物限定的全部范围。

Claims

1.一种绝缘栅双极晶体管IGBT装置，其包括：

NMOS部分；

耦合到所述NMOS部分的PNP部分，所述PNP部分包括基极和集电极；以及

耦合在所述PNP部分的所述基极与所述集电极之间的反激钳，

其中，所述PNP部分的集电极用作所述IGBT的发射极，所述PNP部分的发射极用作所述IGBT的集电极，

其中所述反激钳包括二极管堆叠，其中所述二极管堆叠包括以阴极到阴极配置进行布置的二极管对。

2.如权利要求1所述的IGBT装置，其中所述二极管对包括多晶硅二极管。

3.如权利要求1所述的IGBT装置，其还包括耦合在所述PNP部分的所述基极与发射极之间的基极-发射极电阻器。

4.如权利要求3所述的IGBT装置，其中所述IGBT装置包括半导体衬底，其中所述基极-发射极电阻器是集成的基极-发射极电阻器，所述集成的基极-发射极电阻器集成到所述半导体衬底中。

5.如权利要求1所述的IGBT装置，其中所述反激钳被设置为在所述IGBT运行的感应反激周期期间将所述NMOS部分保持处于关断状态。

6.如权利要求5所述的IGBT装置，其中所述反激钳被设置为在所述感应反激周期期间接通所述PNP部分。

7.如权利要求1所述的IGBT装置，其中所述反激钳被配置为在感应反激周期期间携带流过所述PNP部分的至少大部分基极电流。

8.如权利要求1所述的IGBT装置，其还包括外延层接触环，其中所述IGBT装置被配置为重新引导所述PNP部分的至少一部分基极电流通过所述外延层接触环。

9.一种操作如权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管IGBT装置的方法，其包括：

将所述IGBT从接通状态切换到关断状态；以及

在所述关断状态下接通所述IGBT的PNP部分，其中所述IGBT的NMOS部分在所述关断状态下的反激钳位期间保持处于关断条件下。

10.如权利要求9所述的方法，其中通过布置在所述PNP部分的基极与集电极之间的反激钳来接通所述PNP部分。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述反激钳包括二极管堆叠，其中所述二极管堆叠包括以阴极到阴极配置进行布置的二极管对。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述二极管对包括多晶硅二极管。

13.如权利要求9所述的方法，其还包括在所述PNP部分的基极与发射极之间提供基极-发射极电阻器，其中与缺少所述基极-发射极电阻器的IGBT配置相比，减小了进入所述PNP部分的集电极的β倍增电流。

14.如权利要求9所述的方法，其还包括在所述反激钳位期间重新引导所述IGBT的所述PNP部分中的基极电流通过外延层接触环，其中在所述IGBT的内核中减小电流拥挤和功率耗散中的至少一者。