[发明专利]用于零电压开关的绝缘栅双极晶体管

说明书

本发明一般涉及半导体开关器件，特别涉及最适于零电压开关(ZVS)的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

目前市场可买到的IGBT一般有两种类型，即穿通(PT)和非穿通(NPT)型。PT IGBT一般用“寿命限制层”来在截止时间和正向电压降间形成最大程度的折衷。(所属领域已知寿命限制为注入到硅中用以缩短其寿命的外部元素)。NPT IGBT一般用薄P⁺集电层减少注入到漂移层的电荷数量。PT IGBT具有用作少子注入限制层的缓冲层，允许漂移层的厚度减小。基本上说，缓冲层作为少子的势垒，还允许器件中的电场终止于其边缘，从而增大电压／长度比。因此，对于给定电压，例如600V，具有缓冲层的PT IGBT需要约60-80微米的硅以阻挡电压，而没有缓冲层的NPT IGBT需要100-120微米的硅以阻挡同一电压。

PT和NPT IGBT对于硬开关工作来说都是最佳的。然而，在以高开关频率硬开关时，ZVS(零电压开关，即用器件上的零电压开关)特别是在转换器应用中具有明显的工作优点。这些优点包括明显减小了开关损耗，具有较高开关频率的工作、低电磁干扰、低器件电压和电流应力、较安全的工作区和低成本热控制系统。

因此，希望提供一种最适用于ZVS工作和应用的IGBT结构。

IGBT最适于ZVS工作，因此显著减少了ZVS工作期间的开关损耗。实际上，ZVS IGBT最适于作为具有很小双极晶体管元件的MOSFET工作。通过减少传导时注入到器件中的少子数量，可以减少开关损耗。此外，ZVS IGBT结构允许工作温度升高时存储的电荷少量增加，允许器件在较高的温度下以较低开关损耗工作。

ZVS IGBT具有非常薄的P⁺集电层，发射效率即基区中空穴电流与总发射电流之比非常低。P⁺IGBT集电区的掺杂设计成减小IGBT的正向压降，同时不增大存储在其漂移层中的总电荷。包括较薄的缓冲层，以便能够减小漂移层的厚度，并减小正向压降。设计缓冲层的厚度和掺杂只允许存在电导率调制所需要的少子数量。

在漂移层主体中没有提供寿命限制层，而只在P⁺／N^-集电区界面的边缘，以便更多的少子发生复合，同时仍保持低电压，从而减少开关损耗。ZVS IGBT构成为在低温下，使得截止期间从IGBT的PNP双极晶体管的P⁺集电区反向注入的空穴，允许一些少子向IGBT的P⁺集电区扫去，减小电流尾部的幅度。为实现较高温下反向注入的优点，应减小ZVS IGBT的PNP双极晶体管的增益。此外，小心设置的P⁺分流区用于进一步减少存储在漂移层中的存储少子的数量。有利的是，在高开关频率下，用这种最佳ZVS IGBT结构实现ZVS需要的缓冲电容器的尺寸显著减小，另外，对于某些应用来说，可能包括器件自身的寄生电容。

图1示出了典型的PT IGBT结构。

图2示出了典型的NPT IGBT结构。

图3示意性示出了ZVS测试设置；

图4和5分别是NPT和PT开关波形图；

图6和7分别是例如图1所示结构等IGBT PT结构的硬开关和ZVS波形图；

图8是根据本发明优选实施例的ZVS IGBT结构；

图9是根据本发明优选实施例的ZVS IGBT结构的另一实施例。

图1示出了典型的PT IGBT结构10，该结构10包括：具有栅12和源13的MOSFET部分11；具有发射极15、基极16和集电极17的双极晶体管部分14。PT IGBT 10还包括用作少子注入限制层的缓冲层18，允许小部分漂移区(或层)20的厚度用于给定电压。该PTIGBT使用寿命限制层，在截止时间和正向压降间形成最大折衷。

图2示出了一种典型NPT IGBT结构30，该结构包括：包括栅32和源33的MOSFET部分31，包括发射极35、基极36和集电极37的双极晶体管部分34。如图所示，NPT IGBT具有薄P⁺集电层38，用于减少注入到漂移层40中的电荷数量。

图3示出了用于在ZVS条件下测试从市场上买到的PT和NPTIGBT和测试根据本发明优选实施例新IGBT结构的测试设置50。被测器件(DUT)由数字52表示，图中示出了它与用于驱动该器件的栅驱动54耦合。