絕緣柵雙極晶體管（IGBT）于20世紀(jì)80年代初發(fā)明、開(kāi)發(fā)并商業(yè)化。器件結(jié)構(gòu)（圖4左側(cè)）可以設(shè)計(jì)為在[敏感詞]象限和第三象限（對(duì)稱(chēng)IGBT）的結(jié)J1和J2處阻斷電壓，或者僅在[敏感詞]象限（不對(duì)稱(chēng)IGBT）阻斷電壓。IGBT通過(guò)使用正柵極偏置創(chuàng)建MOS溝道來(lái)工作，該偏置將基極驅(qū)動(dòng)電流輸送到內(nèi)部寬基極P-N-P雙極晶體管。在同一漂移區(qū)內(nèi)，通過(guò)溝道使用電子和通過(guò)P-N-P晶體管使用空穴產(chǎn)生集電極電流，稱(chēng)為MOS雙極電流傳輸。該器件可以通過(guò)將柵極電壓降低到零來(lái)關(guān)閉電子供應(yīng)。

由于采用了寬基極P-N-P晶體管，而不是當(dāng)時(shí)用于功率晶體管的窄基極N-P-N晶體管，因此所提出的IGBT設(shè)計(jì)是一個(gè)具有革命性的改變。懷疑論者認(rèn)為，這將嚴(yán)重限制電流，使該器件不如功率雙極晶體管。我的分析基于N基區(qū)（N漂移區(qū)）內(nèi)的高電平注入，預(yù)測(cè)了即使在高電流密度下也具有低導(dǎo)通狀態(tài)壓降的P-i-N整流器式導(dǎo)通狀態(tài)特性。幸運(yùn)的是，在制造和測(cè)試實(shí)際設(shè)備時(shí)，這種分析被證明是正確的。

IGBT的一個(gè)主要障礙是內(nèi)部4層晶閘管的潛在閉鎖，這可能會(huì)導(dǎo)致破壞性故障。使用添加到基本雙擴(kuò)散MOSFET工藝中的深P+區(qū)域（圖4左圖）能夠解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為IGBT僅適用于低工作頻率，因此限制了其應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)時(shí)控制少數(shù)載流子壽命的方法會(huì)損壞MOS柵極結(jié)構(gòu)。幸運(yùn)的是，我發(fā)現(xiàn)了一種工藝，該工藝允許使用高能電子輻照來(lái)縮短漂移區(qū)的壽命，然后進(jìn)行低溫退火工藝，以去除柵極氧化物中的損壞。這對(duì)于創(chuàng)建能夠在大范圍的交換速度下運(yùn)行的IGBT至關(guān)重要（BaligaIEEE EDL，1983），從而在GE內(nèi)部開(kāi)辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

根據(jù)我在1980年11月的演講，我預(yù)測(cè)了IGBT在通用電氣公司電機(jī)驅(qū)動(dòng)、照明、電器和醫(yī)療部門(mén)的廣泛影響，董事長(zhǎng)杰克·韋爾奇（Jack Welch）批準(zhǔn)全力支持我的IGBT開(kāi)發(fā)和商業(yè)化?；谶@種支持，我能夠在不到10個(gè)月的時(shí)間內(nèi)直接在功率MOSFET生產(chǎn)線上設(shè)計(jì)和制造IGBT。由于公司的嚴(yán)格審查，這必須在芯片設(shè)計(jì)和工藝定義過(guò)程中毫無(wú)瑕疵地完成，以確保首次實(shí)驗(yàn)成功。這是使IGBT大量用于GE制造[敏感詞]臺(tái)熱泵用可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和新型燈具的關(guān)鍵一步，這些燈具是20世紀(jì)90年代商業(yè)化的緊湊型熒光燈的先驅(qū)。由于IGBT對(duì)通用電氣應(yīng)用的價(jià)值，杰克·韋爾奇禁止發(fā)布任何有關(guān)IGBT的信息。1983年6月，半導(dǎo)體產(chǎn)品部宣布推出IGBT產(chǎn)品D94F4，最終打破了這一禁令。通用電氣公司推動(dòng)了該產(chǎn)品的應(yīng)用，并獲得了“年度產(chǎn)品”獎(jiǎng)。從1983年到1985年，通用電氣發(fā)布了我關(guān)于IGBT屬性的文章，從1985年開(kāi)始，日本的許多公司（東芝、三菱電機(jī)、富士電機(jī)）開(kāi)發(fā)并推出了此類(lèi)產(chǎn)品。

20世紀(jì)90年代，歐洲（ABB、西門(mén)子）也進(jìn)行了IGBT創(chuàng)新。P+發(fā)射極區(qū)區(qū)域被晶圓底部具有低摻雜濃度的薄P擴(kuò)散代替，以降低注入效率。研究發(fā)現(xiàn)，這可以減少替換電力機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的柵極關(guān)斷（GTO）晶閘管所需的極高電壓（>4kV）器件的開(kāi)關(guān)損耗。這項(xiàng)技術(shù)在歐洲和日本得到迅速優(yōu)化，廣泛應(yīng)用于城市和長(zhǎng)途公共交通。

通過(guò)采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)，改善了IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)、壓降和開(kāi)關(guān)速度之間的平衡。溝槽柵極設(shè)計(jì)（圖4右側(cè)）增加了溝道密度，為內(nèi)部雙極晶體管提供了更多的驅(qū)動(dòng)電流，以減少導(dǎo)通電壓降。另一個(gè)被證明可以提高高壓IGBT器件性能的設(shè)計(jì)創(chuàng)新是具有窄P基極區(qū)域的深溝槽結(jié)構(gòu)（圖5）。這種方法增強(qiáng)了漂移區(qū)的電導(dǎo)率調(diào)制，從而產(chǎn)生較低的導(dǎo)通狀態(tài)電壓降。

在過(guò)去40年中，IGBT在各種應(yīng)用中變得非常流行，它被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如交通、照明、消費(fèi)者、工業(yè)、醫(yī)療等，以提高全世界數(shù)十億人的生活質(zhì)量。1990-2020年，汽油動(dòng)力汽車(chē)和卡車(chē)使用IGBT的電子點(diǎn)火系統(tǒng)的創(chuàng)建使汽油消耗量減少了1.8萬(wàn)億加侖。1990-2020年間，使用IGBT的可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)使電力消耗量減少73000太瓦時(shí)。使用IGBT電子鎮(zhèn)流器的200億盞緊湊型熒光燈的部署在1990年至2020年期間減少了5.99萬(wàn)太瓦時(shí)的電力消耗。IGBT的這些應(yīng)用為消費(fèi)者節(jié)省了33.6萬(wàn)億美元，同時(shí)在1990年到2020年間減少了181萬(wàn)億英鎊的二氧化碳排放，以緩解全球變暖。

所有太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電都依賴(lài)于使用IGBT將能量轉(zhuǎn)換為可輸送到電網(wǎng)的穩(wěn)定的50或60 Hz交流電。此外，IGBT用于驅(qū)動(dòng)所有電動(dòng)汽車(chē)中的電機(jī)的逆變器。因此，它將在消除發(fā)電和運(yùn)輸部門(mén)的化石燃料以應(yīng)對(duì)氣候變化方面發(fā)揮重要作用。

IGBT失效場(chǎng)合：來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部，如電力系統(tǒng)分布的雜散電感、電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、負(fù)載突變都會(huì)引起過(guò)電壓和過(guò)電流；來(lái)自系統(tǒng)外部，如電網(wǎng)波動(dòng)、電力線感應(yīng)、浪涌等。歸根結(jié)底，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過(guò)壓/過(guò)流和柵極的過(guò)壓/過(guò)流引起。

IGBT失效機(jī)理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路，將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流——在關(guān)斷時(shí)電流變化率di/dt過(guò)大。漏感及引線電感的存在，將導(dǎo)致IGBT集電極過(guò)電壓，而在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)，使IGBT鎖定失效。同時(shí)，較高的過(guò)電壓會(huì)使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進(jìn)入放大區(qū)， 使管子開(kāi)關(guān)損耗增大。

IGBT傳統(tǒng)防失效機(jī)理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來(lái)減小關(guān)斷過(guò)電壓；在集電極和發(fā)射極之間，放置續(xù)流二極管，并接RC電路和RCD電路等；在柵極，根據(jù)電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩(wěn)壓二極管防止柵極過(guò)電壓。

分立器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，是針對(duì)MOSFET與IGBT分立器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)如開(kāi)關(guān)特性、柵極電荷、短路特性、二極管的反向恢復(fù)特性、結(jié)電容等專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一套全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，額定測(cè)試電流不超過(guò)200A，測(cè)試電壓不超過(guò)1200V。

該測(cè)試系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

該測(cè)試系統(tǒng)是一套集常規(guī)動(dòng)態(tài)參數(shù)為一體的綜合測(cè)試系統(tǒng)；

該測(cè)試系統(tǒng)完全采用自動(dòng)控制，測(cè)試可按測(cè)試員設(shè)定的程序進(jìn)行動(dòng)測(cè)試；

該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)記錄測(cè)試結(jié)果，并可將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化為EXCEL文件進(jìn)行處理。

測(cè)試治具更換簡(jiǎn)易、測(cè)試效率高。

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