聊一聊一种具有双向阻断能力的逆阻型IGBT

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逆阻型IGBT简介

一般情况下，常见的IGBT主要定义的是其正向阻断电压，而反向阻断电压一般不会在Datasheet中被提及到，这是因为IGBT通常会反并联续流二极管，所以对实际应用并没有什么不良影响，除了由于二极管换流造成的反向电压过冲的场合外，IGBT的反向阻断能力不是必需的。但是一些特殊的场合需要IGBT具有双向阻断能力，即正向阻断能力和反向阻断能力。

传统的方式是将常规IGBT与一个可以耐高压的二极管相串联，但是，串联的二极管引起通态压降的增大，增加了损耗。而RB-IGBT是一种新型的IGBT，具有反向耐压能力，相对于传统串联二极管的模式，减少器件的同时，还降低了通态压降和损耗。两种模式如下图所示：

RB-IGBT

传统IGBT串联二极管

常规IGBT反向耐压小的原因:

为了折中通态压降Von和关断损耗Eoff，一般都具有缓冲层以获得更小的Von和Eoff，由于缓冲层和集电极层的掺杂浓度都很高，同时芯片边缘由于晶格损伤和应力会引起较大的漏电流，所以普通IGBT不具备反向阻断能力(一般只有40V左右)。

逆阻型绝缘栅双极型晶体管(ＲB-IGBT) 是一种新型的IGBT器件，它是将IGBT元胞结构与耐高压的二极管元胞结构集成到同一个芯片上，采用传统的非穿通型结构，同时在背面和侧面做了改进，具备双向阻断能力。

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正向耐压和反向耐压

正向耐压：

ＲB-IGBT除终端结构外和传统的纵向NPT-IGBT基本相同，其有源区在正面，包括多晶硅栅极、n+发射区和p基区，然后有源区的下面是n-漂移区，最后是集电极。当集射极之间加正电压时，由p-基区和n-漂移区形成的反偏PN结来承担外部电压，为了提高击穿电压和抑制闩锁，往往会将发射极的n+源区和p-基区短接。在正向阻断时，为了提高击穿电压和抑制闩锁，一定的终端技术是必要的，比较常见的有两种：在p-基区旁加浮空场环和场板技术，其他的技术还包括结终端扩展、斜角边缘终端技术等。下图是加浮空场环的情况：

虽然方法不同，但都是为了防止电场的局部集中而在终端区域发生雪崩击穿。由于比较厚的n-漂移区和出色的正面终端，使得器件具有很高的正向耐压能力。

反向耐压

NPT-IGBT 结构虽然没有缓冲层，但是它的反向阻断能力依然很差，因为芯片的尺寸是有限的，在切割芯片时，如果切割线穿过了承受高压的pn结，晶格损伤和应力会引起很大的反向漏电流，导致击穿电压和长期稳定性的降低。早期的反向终端采用的是台面刻蚀技术，通过重掺杂(p+)的集电极和低掺杂(n-) 的漂移区形成的pn结和深槽的正斜角来阻断反向电压，这种深沟槽将有晶格损伤的表面隔离，因而没有形成很大的漏电流。总之，RB-IGBT是在NPT-IGBT的基础上，通过特有的终端技术和掺杂技术来，减小漏电流，同时形成反偏的PN结来提高击穿电压，相当于串联了一个耐高压的二极管，使得IGBT具有反向耐压能力。都是利用PN结来隔离晶格损伤的表面。

反向耐压时的一种终端结构(扩散结隔离终端)

常见的RB-IGBT的隔离技术：

①台面刻蚀隔离(物理刻蚀隔离)

②扩散隔离技术(PN结隔离)

③沟槽隔离技术(PN结隔离)

④V(凹)槽隔离技术(PN结隔离)

⑤混合隔离技术(扩散和凹槽刻蚀相结合，PN结隔离)

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部分电特性

电子辐射减少载流子寿命

RB-IGBT具备双向阻断能力，应用在电路中需要两个器件反向并联，在关断的时候，需要有快恢复二极管的工作方式。由于RB-IGBT采用的是NPT-IGBT结构，所以，n-漂移区的载流子寿命相对较高，工作在FRD关断时，具有很大的dI/dt和较长的拖尾电流，造成较大的损耗，为了克服这个问题，一般需要电子辐照来减小载流子的寿命。虽然增大电子辐射剂量，可以减小关断损耗E(off)和反向恢复损耗E(rec)，但是同时增大大通态压降，而造成通态损耗的增加，故需要注意辐照剂量的控制。

栅电压的影响

加栅压和不加栅压下的反向漏电流和击穿电压的对比，可见，加栅压，可以有效地减小反向漏电流，增大反向耐压。

综上，算是简单地介绍了逆阻型IGBT(ReverseBlocking-IGBT)的相关知识，没有很详细，毕竟对于任何一个元器，可以从很多方面来认识，只有在实践中才能慢慢地理解和体会。目前，很多会用到RB-IGBT，主要有矩阵变换器、中点箝位拓扑和T型变换器等。目前英飞凌、富士、三菱都有自己地RB-IGBT的产品，大家有兴趣可以去了解下。