双模式IGBT优化设计方案

双模式IGBT（Bi-mode Insulated Gate Transistor，BIGT）^[55，56]是ABB公司在常规RC-IGBT基础上开发的一种新的逆导型IGBT结构，目的是解决RC-IGBT的负阻现象。

1.BIGT结构

如图5-55所示，BIGT结构是由RC-IGBT和普通的IGBT复合而成的，由于该结构可以按IGBT与二极管的两种模式工作，故称为双模式IGBT。其中普通IG-BT在此称为引导IGBT（其p⁺集电区称为p⁺引导区），右侧为一个常规的RC-IGBT。通常位于BIGT芯片中央，两侧是具有集电极短路点的RC-IGBT。短路点布局有多种形式，比如n⁺短路区可以与p⁺引导区的布局是平行条纹（见图5-55下图）、正交条纹，或是离散点状或小正方形布局。采用p⁺引导区的作用有两个：一是在导通初期引导IGBT开通；二是提高版图设计的自由度，使n⁺区与p⁺区的尺寸不需严格控制。由于存在p⁺引导区，使n⁺区面积缩小为集电区总面积的25%，有利于降低二极管正向压降。为了改善器件通态特性，采用了增强型平面（EP）元胞设计，在元胞下方增加了n增强层（见图5-55上图），以产生电子注入增强效应。对二极管而言，n增强层可以降低阳极的空穴注入效率，同时采用He²⁺辐照在n增强层处形成一个低寿命区^[55]，有利于获得快速软恢复特性。

2.BIGT的工作原理

在器件导通初期，电压及电流密度很小时，引导IGBT会先导通，发生电导调制效应。随着电流密度进一步增加，电导调制区从引导区逐渐向RC_-IGBT区扩展，基本上可消除初次负阻现象。载流子向RC-IGBT区扩展的速度取决于n⁺短路区的布局。通过对BIGT中载流子密度3D分布仿真结果表明，采用正交条纹（S2）的载流子扩展速度最快，小正方形（D2）布局时的载流子扩展速度稍快。

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图5-55 BIGT的剖面结构及背面的集电极图形

3.BIGT的特性

（1）导通特性BIGT正向导通特性曲线如图5-56所示。正向工作时BIGT按IGBT的导通模式工作，并且与n⁺短路区的布局有关；反向工作时，BIGT按二极管的导通模式工作。当n⁺短路区与p⁺引导区的布局采用正交条纹（S2）时，导通特性最好；采用平行条纹（S1）时，导通特性较差；采用正交-平行条纹（S3）时，IGBT的导通特性介于S1与S2之间，并且在小电流下仍有小的二次负阻现象；如图5-56b所示，当n⁺短路区采用多种不同（条形、点形及方形）的图形区时，BIGT的正、反向导通特性曲线均有所不同。采用离散点状（D1）时，IGBT饱和电压最小，但同时二极管的导通特性明显变差；采用小正方形（D2）时，对二极管导通特性没有影响，但IGBT的饱和电压稍大。可见，采用正交条纹布局和小正方形点状短路区时，可以兼顾BIGT的正、反向导通特性。

（2）开关特性 如图5-57所示，BIGT在25℃和2800V电压下关断50A电流时，采用正交条纹（S2）布局的关断拖尾电流要比平纹条纹（S1）的较大，但在125℃高温下采用两种条纹布局的IGBT关断波形几乎重合。可见，采用正交条纹（S2）来布局n⁺短路区和p⁺引导区，不仅有利于载流子的扩展，而且能有效地利用器件的面积，在IGBT和二极管导通损耗之间获得折中，使BIGT性能达到最佳。