IGBT由初始的Planar演进至第四代的Trench，现在又有人提出第五代Thin Wafer制程。随着制程及设计的进步，IGBT的触角正逐渐深入高频及高功率的领域，扩张其版图。可预见的是，IGBT的性能将会继续改进，成为功率组件的主流。

在讲求高效率及节省能源的今天，如何有效的运用生活中不可或缺的电，成为一个新的课题。现代的社会对电的依赖性越来越高，从小型的收音机、电视机至大型的空调冷却系统、高速火车，都需用到电力。如何利用输入的电力，加以控制，并有效率的将之转换为我们所需要的输出形式，实有赖于功率组件（Power Device）的技术。(图一)显示半导体功率组件已被广泛的用在许多的用途中，包括电源供应器、汽车、显示器、通讯电子、照明、工厂自动化、马达控制等等。

我们可以看到功率组件应用的范围相当广，电压由数十伏特至数千甚至上万伏特，而电流则可从数个毫安至数百或上千安培。当然，不可能有一个组件可以适用所有的用途。因此根据不同的功率要求就有不同结构的组件被发明。(图二)显示不同功率及频率的要求下，所适用的组件结构。除了一些超高功率的应用外，其余的应用几乎被IGBT与MOSFET所涵盖。在分类上，IGBT适用于较低频及较高功率的应用，而MOSFET则适合用在高频与低功率的范围。当然MOSFET也可以用在高功率的地方，不过其效率会急剧的下降。同理，IGBT也不适合用在低功率的地方。

值得注意的是，我们可以看到以前盛行的功率双载子晶体管，已经被IGBT(高功率区)与功率MOSFET(低功率区)所取代了。这是因为功率双载子晶体管是由电流驱动，控制电路太过复杂，不易设计。而IGBT及MOSFET则是由电压控制，可大幅简化控制电路的设计。所以IGBT与MOSFET已成为目前功率组件应用的主流。本篇文章的重点是讲解IGBT操作原理，与设计时应注意的事项，适合想发展IGBT技术的读者。文末则以离散组件的市场预测说明IGBT是有前途的功率组件。

《图一 显示半导体功率组件》

《图二 不同功率及频率的要求》

IGBT与Power MOS之比较

(图三)为传统IGBT与Power MOS的剖面图。依组件的结构来看，IGBT与Power MOS非常相近，两者的差别是在底部的N+与P+。Power MOS的操作与一般的MOS并无二致。为了增加耐高电压的能力，N-这一层需增厚，同时浓度也需变淡。但N-层一增厚，从D至S的串联电阻就变大，所以这限制了Power MOS导通电流的能力，因此一般Power MOS是用在高频但低功率的地方。

为了要克服此一缺点，就有IGBT的出现。在结构上，IGBT可说是结合了Bipolar与MOS(但在原理上并不完全是)。在正常操作下，P+与N-的Junction会顺向偏压，因此会有大量的电洞注入N-，使得N-的电阻降低，因此大大的减少从C至E的串联电阻，所以IGBT可以应用在高电流的地方。但这也正是IGBT的缺点。

因为电洞在N-是属于少数载子，组件关闭时需完全被移走，否则组件无法关闭。当G(闸极)关闭时，电子不再从E注入，因此电洞的移走必须靠Recombination，这是一个费时的过程。所以IGBT的操作频率要比Power MOS低，以上可说是两者的最大不同，先给读者一个基本的概念。另一个有趣的地方是，既然P+与N-是顺向偏压，那P+应为Emitter才是。这是因为IGBT在设计之初是为了取代Bipolar，因此在接脚的命名上要与Bipolar相同，这样替换时才方便，因此就有这种看似与操作原理相反的命名法。

《图三 传统IGBT与Power MOS的剖面图》

IGBT的操作要求

在正常的导通状况下，IGBT的电流是受MOS的电压所控制的。下面各小节将叙述IGBT的一些操作上的专有名词与要求。

Forward Blocking Voltage

当闸极关闭时，C、E间所能承受的最大顺向电压(VCE〈0)即为Forward Blocking Voltage。此时，J2是处于逆向偏压，因此崩溃电压(Breakdown Voltage)由它决定。

Reverse Blocking Voltage

当闸极关闭时，C、E间所能承受的最大逆向电压(VCE〈0)即为Reverse Blocking Voltage。在DC的环境操作时，这种现象是不会发生的。但如果应用在交流的环境，就需考虑这种特性。此时崩溃电压由J1决定。

Forward Conduction

即IGBT导通时的特性。IGBT导通电流有两个路径：一个是电洞由P+跑到N-中与由MOS Channel跑来的电子结合产生电流。另一个路径是电洞由P+穿过N-，直接跑到P-Base，而把流经MOS的电流当作是Base电流。实际上，IGBT的特性应是由这两种效应来决定，无法分离。在导通时，最重要的就是导通电阻(或电压)。因为此时IGBT承受很大的电流，若导通电压大，则IGBT本身所消耗的功率也大，这不仅影响能源利用效率，同时散热也是一大问题。只要能够尽量降低这些压降，就可减少IGBT本身的功率消耗。

Forward Biased Safe Operating Area(FBSOA)

这是在某一闸极电压下(导通的情况)，IGBT所能承受的最大电压与电流之作图。FBSOA受两个因素所限制：(1)Avalanche breakdown，情形与Forward Blocking相似；(2)Latch-Up，由于电流高，IGBT的温度会上升，使得上层寄生之NPN Bipolar导通(由于Gain增大及P-Base电阻增大)，进而产生Latch-Up。其中，以Latch-Up为FBSOA的主要决定因素。

Reverse Biased Safe Operating Area(RBSOA)

这主要是由transient的效应所引起的。当闸极刚关闭时，电子电流会停止，但Collector的电流却不会马上停止，这是因为需要提供电洞与N-的电子结合，所以此时的电流全部是电洞电流。这会产生两个影响：(1)电洞带正电，会增强N-内的电场，而产生Breakdown；(2)大量的电洞电流，会触发Latch-Up。降低PNP Bipolar的Gain有助于电洞电流的减少。

Short-Circuit Safe Operating Area(SCSOA)

这也是由Transient的效应所引起的。当闸极刚打开时，此时Depletion Region仍然存在，因此IGBT上跨着极大的电压。同时电流急剧上升，使得IGBT同时承受大电压、大电流，温度上升的极快，进而造成组件的损坏。SCSOA就是表示IGBT能够忍受这种情况多久，而不会损坏。

IGBT之设计重点

导通电阻

当然，首要的重点是降低导通电阻。由于IGBT需耐高电压，N-都相当厚，因此电阻相当大。所幸IGBT在底部有一PN Junction，在导通时会顺向偏压，向N-注入大量的载子，进而降低N-的电阻。但此多余的载子并不会永久停留在N-内，它会藉由Recombination的过程慢慢的消失。如此的注入、消失，维持一个动态平衡。

当载子的Lifetime长时，表示它可以跑较长的距离才消失，因此载子所能影响的N-区域变大，所以导通电阻较低。Lifetime长也表示PNP Bipolar的Gain增大(因为电洞由P+跑至P-base的机会增加)，MOS电流所占的比重因而降低，这样可以使MOS的压降降低。但电洞电流的增加对FBSOA、RBSOA、Latch-Up及Leakage均有不利的影响。相反的，如果载子的Lifetime较短，那所能影响的N-区域缩小，因此导通电阻较大。

控制载子Lifetime的方法很多，如利用Diffusion的方式植入像金、白金之类Deep Level的杂质，但此种方式的均匀性并不好，同时会有污染的问题。另一种方式是使用高能的电子撞击，使得Wafer内产生Defect。此种方式的好处是简单，且均匀性佳，但高能电子的来源是一问题，对成本的增加亦是一项考虑因素。

操作速度

操作速度对Lifetime的要求正好与导通电阻的要求相反。Lifetime越短，Recombination的速度越快，多余载子的消失速度也就越快。除了Recombination快的好处外，缩短Lifetime会使导通电流中，电洞电流的比例降低，因为电洞较不易由P+跑到P-Base。所以相同的导通电流的情况下，Lifetime低的IGBT，其电子电流的成分增加，关闭后电流的Tail较容易消失。

Punch-Through(PT) or Non-Punch-Through(NPT)

对NPT IGBT而言，顾名思义就是P-Base不会与P+接触，因此N-必须足够长，且浓度要淡，以承受所需的崩溃电压。NPT的好处是，它可以承受双向的电压，也就是说它的Forward Blocking电压与Reverse Blocking电压都很高。但由于它的N-区域很长，因此导通电阻与操作速度都受到影响。

另一方面，PT IGBT的N-区域相当短，在组件关闭时，这一区域是完全空乏的。但PT有一N Buffer层来阻挡Depletion Region与P+接触。通常PT IGBT会有Lifetime Killing的步骤，因为N-短，载子的Lifetime不需太长，即可影响整个N-区域。PT的好处是，导通电阻小，操作速度快[4][5]。虽然PT IGBT有一些优势，但就成本上来考虑，PT IGBT的成本较高。因为PT IGBT需使用Epi Wafer及Lifetime Kill Process。由于Epi Wafer的花费问题，PT的结构不常被使用在1200V以上的IGBT。

Latch-Up

Latch-Up是IGBT的一个重要问题，它是决定IGBT能够导通多少电流的一个考虑。不只如此，Latch-Up也关系到FBSOA及RBSOA，即IGBT所能操作的区域(注三)。IGBT有一寄生的Thyristor，如果让它导通的话，那电流就会相当大且不受闸极的电压控制，组件可能因此而烧毁。要抑制Latch-Up可以由降低PNP或NPN Bipolar的Gain着手。

温度

当IGBT的电流低时，导通电阻(或压降)主要是由PN Junction的压降决定。因此当温度升高时，导通某一电流所需的电压就会下降。若IGBT的电流大时，MOS的Channel电阻就会主导IGBT的导通电阻。温度升高，电阻就会升高。因此最好是将IGBT操作在电阻正温度系数区，这样就不用担心电流会集中在某些区域。同时也可将IGBT并联，而不需特别的设计。在操作速度上，升高温度会使得操作速度减慢，这是因为少数载子的Lifetime变长的缘故。温度对Latch-Up的抑制是一不利的影响。温度会增大寄生Bipolar的Gain，同时也会使得P-Base的电阻增大。这些都会降低触发Latch-Up所需的电流。

Termination

一个PN Junction，在内部可看成是平面的，但是在边缘则会成为弧形。由电学得知，曲率越大，在相同电压下，其电场越大。因此边缘的电场要比内部来得大。所以光做好组件本身是不够的，必须考虑到如何减低组件边缘的电场。一般主要是使用Floating Field Ring与Field Plate。

Planar IGBT与Trench IGBT

Planar IGBT虽然经过多年的发展，但仍有一些基本问题有待改进与克服。最明显的是JFET效应。当两个Cell太接近时，它们所产生的Depletion Region会压缩到中间电子流通的路径，使得N-电阻变大。因此两个Cell间有其最小的距离。但增大Cell间的距离代表着Channel密度的降低，会使MOS Channel的电阻增大，同时也会引发崩溃电压降低的问题。所以如何决定Cell间的距离，对Planar IGBT是一重要的问题。除了Cell之间的距离之外，Latch-Up也是Planar IGBT得一大问题。IGBT有一寄生的Thyristor，当电流增大时或温度升高时，由于P-Base电阻的关系容易触发Latch-Up。因此Latch-Up对Planar IGBT可说是无法避免的。

如同DRAM与Power MOS的演进一样，IGBT也采用了Trench的结构。虽然Wafer的面积不断的增大，但面积依然有限。要增加空间只有往上或往下发展，往下就是Trench。这里所谓的Trench就是将原来IGBT水平方向的闸极改为垂直方向，向下深入Wafer内。Trench IGBT最显而易见的优点是消除了寄生的JFET的效应。因为MOS的Channel改为垂直方向，所以Depletion Region是往下扩展，而不会如Planar IGBT般的向两旁水平方向扩展。

相邻Cell的Depletion Region不会互相靠近，因此JFET效应得以消除。因为没有JFET效应，所以Cell可以靠的更近，因此增加了Channel的密度。这意味着在相同的偏压(VCE)下，Trench IGBT可以导通更大的电流。Trench IGBT另一个优点是，有效的抑制了Latch-Up的发生。在Trench IGBT中，由于电流的方向所致，会触发Latch-Up的区域就只剩下N+ Emitter往下延伸与P-Base接触的地方，也就是Latch-Up与N+ Emitter的深度有关。通常在N+ Emitter旁是P-Base的Contact，此区为P+，因此能造成的压降相当小。所以Trench IGBT对Latch-Up的抵抗力比Planar IGBT要好。

虽然Trench IGBT有许多优点，但不可讳言的，它也有一些缺点。最明显的一点是制程上的复杂性。平面式的制程到底是比立体式的制程来得容易。Trench IGBT需要引进另外的制程，因此增加制程的复杂度。再者，由于MOS的Channel是在Trench边上，而Trench是靠蚀刻而成。通常蚀刻的表面是不平整的，因此Channel的Mobility会降低，这会造成导通电阻的增大。

另一个问题是崩溃电压的降低。Trench IGBT有着近乎90度的角存在，这在Planar IGBT中是见不到的。因此在Trench的角落会有大的电场产生，而此处的Oxide质量通常也不好，所以崩溃电压会降低。虽然Trench IGBT的优异Latch-Up特性，使得其FBSOA及RBSOA变好，但也因为Trench IGBT可以导通更大的电流，使得其SCSOA较Planar为差，这是应该注意的。

市场分析

IGBT虽不是拥有最高产值的产品，可是其平均成长率为12.7%，在功率组件中拔得头筹，显示其受市场重视的程度，也表示IGBT在未来仍具有相当的发展潜力。表二为离散式组件前五大厂商的占有率。由表中可以看出，越是高功率的产品，其技术程度越高，独占性也就越强。前五大厂商就占有IGBT市场的71.1%，所以要进入功率组件的市场并不是很容易。但不可因为有门坎就放弃此一正日渐蓬勃的市场，应从人才培养，技术改良下手，以便在国内的功率组件市场占得先机。如果国内能拥有IGBT的制造技术，对去除垄断，降低下游产品生产成本有相当大的帮助。

结论

IGBT可说是现今功率组件市场上在中功率方面的主力，在讲求100%利用能源的今天，其重要性越来越不可忽视。IGBT已由初始的Planar结构演进至第四代的Trench结构。现在又有人提出第五代Thin Wafer制程的IGBT，来增进其性能。随着制程及设计的进步，IGBT的触角正逐渐的深入高频及高功率的领域，扩张其版图。可预见的，IGBT的性能将会继续改进，成为功率组件的主流。