沟槽栅极结构（Trench）IGBT的结构与原理

          到目前为止，所有的IGBT设计都有一个共同点平面栅极结构。这种形状的栅极形成一个前文所述的JFET结构，以及发射极区软弱的电导调制效应。对于平面栅极的IGBT,载流子的浓度从集电极到发射极之间逐步降低。新一代IGBT的设计目标是保持载流子浓度均匀分布，最好是逐步增加，这样可以进一步降低通态损耗，而不会影响拖尾电流和关断损耗，从而导致沟槽型栅极结构的出现。

图1 沟槽栅IGBT内部结构和电场分布(不成比例)及栅极结构

          上图1a给出了基于PT IGBT原理的沟槽栅IGBT内部结构和电场分布图，而图1b是通过电子扫描显微镜拍摄的沟槽栅极结构的放大图。这种结构与普通的平面栅极结构的主要区别在于，当IGBT开通时，P型发射区的反型沟道是垂直的而不是横向的，这就意味着不存在JFET效应。由于大量电子的注入，发射区附近的电导调制效率很高。

          所有这些都对载流子的浓度产生积极影响。作为比较，图2给出了沟槽栅和平面栅结构IGBT内部载流子浓度比较。非常明显，从集电极到发射极，沟槽栅IGBT的载流子浓度是逐步升高的，而平面IGBT则相反。发射区载流子浓度的设计与很多因素相关，其中包括IGBT元胞的尺寸和他们之间的距离，这样就使得载流子浓度的调整有无限多的可能。然而应该牢记的是，更高的载流子浓度有利于降低通态损耗；另一方面，载流子越少，越有利于降低关断损耗。事实证明，内部均匀的或者略微递增的载流子浓度有利于平衡沟槽栅IGBT的静态和动态损耗。

图2 沟槽栅和平面栅结构IGBT内部载流子浓度比较

        根据图3所示的简化电路图，IGBT内部的电压降可表示为：

U_CEsat=U_{Emitter-Drain}+U_{Drain-Collector}

       U_{Emitter-Drain}表示IGBT的发射极和等效MOSFET漏极的电压，U_{Drain-Collector}表示漏极到集电极之间的电压。可以通过增加每个IGBT导电沟道的宽度来降低U_{Emitter-Drain}。相比于平面栅IGBT，沟槽栅IGBT垂直结构的导电沟道更有利于设计紧凑的元胞。即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞，从而增加导电沟道的宽度。另外，U_{Emitter-Drain}可以通过消除JFET效应的方法进一步降低。采取这些方法，可以消除U_CEsat中U_{Emitter-Drain}分量。也就是说，对于现代的IGBT，饱和压降主要由U_{Drain-Collector}决定。

图3 IGBT简化等效电路

         增加导电沟道的宽度有利于电导率上升，但是也有它的缺点：较宽的导电沟道会增加IGBT短路时的电流。最不利的情况就是，短路电流可能会很大，以至于非常短时间内就损坏IGBT。为了使得IGBT具有10μs的短路能力(给定的测试条件下)，需要非常小心地设计沟道宽度及相邻的元胞。为此需要平衡元胞的尺寸和间距，或者不要把所有的栅极接到公共栅极，而是把一些单元的栅极和发射极直接短路。后者称为插入合并单元工艺(Plugged Cell Merged,PCM)。平面栅IGBT和沟槽栅IGBT结构如图4所示。

图4 平面栅IGBT和沟槽栅IGBT结构