IGBT由初始的Planar演進至第四代的Trench，現在又有人提出第五代Thin Wafer製程。隨著製程及設計的進步，IGBT的觸角正逐漸深入高頻及高功率的領域，擴張其版圖。可預見的是，IGBT的性能將會繼續改進，成為功率元件的主流。

在講求高效率及節省能源的今天，如何有效的運用生活中不可或缺的電，成為一個新的課題。現代的社會對電的依賴性越來越高，從小型的收音機、電視機至大型的空調冷卻系統、高速火車，都需用到電力。如何利用輸入的電力，加以控制，並有效率的將之轉換為我們所需要的輸出形式，實有賴於功率元件（Power Device）的技術。(圖一)顯示半導體功率元件已被廣泛的用在許多的用途中，包括電源供應器、汽車、顯示器、通訊電子、照明、工廠自動化、馬達控制等等。

我們可以看到功率元件應用的範圍相當廣，電壓由數十伏特至數千甚至上萬伏特，而電流則可從數個毫安培至數百或上千安培。當然，不可能有一個元件可以適用所有的用途。因此根據不同的功率要求就有不同結構的元件被發明。(圖二)顯示不同功率及頻率的要求下，所適用的元件結構。除了一些超高功率的應用外，其餘的應用幾乎被IGBT與MOSFET所涵蓋。在分類上，IGBT適用於較低頻及較高功率的應用，而MOSFET則適合用在高頻與低功率的範圍。當然MOSFET也可以用在高功率的地方，不過其效率會急劇的下降。同理，IGBT也不適合用在低功率的地方。

值得注意的是，我們可以看到以前盛行的功率雙載子電晶體，已經被IGBT(高功率區)與功率MOSFET(低功率區)所取代了。這是因為功率雙載子電晶體是由電流驅動，控制電路太過複雜，不易設計。而IGBT及MOSFET則是由電壓控制，可大幅簡化控制電路的設計。所以IGBT與MOSFET已成為目前功率元件應用的主流。本篇文章的重點是講解IGBT操作原理，與設計時應注意的事項，適合想發展IGBT技術的讀者。文末則以離散元件的市場預測說明IGBT是有前途的功率元件。

《圖一 顯示半導體功率元件》

《圖二 不同功率及頻率的要求》

IGBT與Power MOS之比較

(圖三)為傳統IGBT與Power MOS的剖面圖。依元件的結構來看，IGBT與Power MOS非常相近，兩者的差別是在底部的N+與P+。Power MOS的操作與一般的MOS並無二致。為了增加耐高電壓的能力，N-這一層需增厚，同時濃度也需變淡。但N-層一增厚，從D至S的串聯電阻就變大，所以這限制了Power MOS導通電流的能力，因此一般Power MOS是用在高頻但低功率的地方。

為了要克服此一缺點，就有IGBT的出現。在結構上，IGBT可說是結合了Bipolar與MOS(但在原理上並不完全是)。在正常操作下，P+與N-的Junction會順向偏壓，因此會有大量的電洞注入N-，使得N-的電阻降低，因此大大的減少從C至E的串聯電阻，所以IGBT可以應用在高電流的地方。但這也正是IGBT的缺點。

因為電洞在N-是屬於少數載子，元件關閉時需完全被移走，否則元件無法關閉。當G(閘極)關閉時，電子不再從E注入，因此電洞的移走必須靠Recombination，這是一個費時的過程。所以IGBT的操作頻率要比Power MOS低，以上可說是兩者的最大不同，先給讀者一個基本的概念。另一個有趣的地方是，既然P+與N-是順向偏壓，那P+應為Emitter才是。這是因為IGBT在設計之初是為了取代Bipolar，因此在接腳的命名上要與Bipolar相同，這樣替換時才方便，因此就有這種看似與操作原理相反的命名法。

《圖三 傳統IGBT與Power MOS的剖面圖》

IGBT的操作要求

在正常的導通狀況下，IGBT的電流是受MOS的電壓所控制的。下面各小節將敘述IGBT的一些操作上的專有名詞與要求。

Forward Blocking Voltage

當閘極關閉時，C、E間所能承受的最大順向電壓(VCE〈0)即為Forward Blocking Voltage。此時，J2是處於逆向偏壓，因此崩潰電壓(Breakdown Voltage)由它決定。

Reverse Blocking Voltage

當閘極關閉時，C、E間所能承受的最大逆向電壓(VCE〈0)即為Reverse Blocking Voltage。在DC的環境操作時，這種現象是不會發生的。但如果應用在交流的環境，就需考慮這種特性。此時崩潰電壓由J1決定。

Forward Conduction

即IGBT導通時的特性。IGBT導通電流有兩個路徑：一個是電洞由P+跑到N-中與由MOS Channel跑來的電子結合產生電流。另一個路徑是電洞由P+穿過N-，直接跑到P-Base，而把流經MOS的電流當作是Base電流。實際上，IGBT的特性應是由這兩種效應來決定，無法分離。在導通時，最重要的就是導通電阻(或電壓)。因為此時IGBT承受很大的電流，若導通電壓大，則IGBT本身所消耗的功率也大，這不僅影響能源利用效率，同時散熱也是一大問題。只要能夠盡量降低這些壓降，就可減少IGBT本身的功率消耗。

Forward Biased Safe Operating Area(FBSOA)

這是在某一閘極電壓下(導通的情況)，IGBT所能承受的最大電壓與電流之作圖。FBSOA受兩個因素所限制：(1)Avalanche breakdown，情形與Forward Blocking相似；(2)Latch-Up，由於電流高，IGBT的溫度會上升，使得上層寄生之NPN Bipolar導通(由於Gain增大及P-Base電阻增大)，進而產生Latch-Up。其中，以Latch-Up為FBSOA的主要決定因素。

Reverse Biased Safe Operating Area(RBSOA)

這主要是由transient的效應所引起的。當閘極剛關閉時，電子電流會停止，但Collector的電流卻不會馬上停止，這是因為需要提供電洞與N-的電子結合，所以此時的電流全部是電洞電流。這會產生兩個影響：(1)電洞帶正電，會增強N-內的電場，而產生Breakdown；(2)大量的電洞電流，會觸發Latch-Up。降低PNP Bipolar的Gain有助於電洞電流的減少。

Short-Circuit Safe Operating Area(SCSOA)

這也是由Transient的效應所引起的。當閘極剛打開時，此時Depletion Region仍然存在，因此IGBT上跨著極大的電壓。同時電流急劇上升，使得IGBT同時承受大電壓、大電流，溫度上升的極快，進而造成元件的損壞。SCSOA就是表示IGBT能夠忍受這種情況多久，而不會損壞。

IGBT之設計重點

導通電阻

當然，首要的重點是降低導通電阻。由於IGBT需耐高電壓，N-都相當厚，因此電阻相當大。所幸IGBT在底部有一PN Junction，在導通時會順向偏壓，向N-注入大量的載子，進而降低N-的電阻。但此多餘的載子並不會永久停留在N-內，它會藉由Recombination的過程慢慢的消失。如此的注入、消失，維持一個動態平衡。

當載子的Lifetime長時，表示它可以跑較長的距離才消失，因此載子所能影響的N-區域變大，所以導通電阻較低。Lifetime長也表示PNP Bipolar的Gain增大(因為電洞由P+跑至P-base的機會增加)，MOS電流所佔的比重因而降低，這樣可以使MOS的壓降降低。但電洞電流的增加對FBSOA、RBSOA、Latch-Up及Leakage均有不利的影響。相反的，如果載子的Lifetime較短，那所能影響的N-區域縮小，因此導通電阻較大。

控制載子Lifetime的方法很多，如利用Diffusion的方式植入像金、白金之類Deep Level的雜質，但此種方式的均勻性並不好，同時會有污染的問題。另一種方式是使用高能的電子撞擊，使得Wafer內產生Defect。此種方式的好處是簡單，且均勻性佳，但高能電子的來源是一問題，對成本的增加亦是一項考慮因素。

操作速度

操作速度對Lifetime的要求正好與導通電阻的要求相反。Lifetime越短，Recombination的速度越快，多餘載子的消失速度也就越快。除了Recombination快的好處外，縮短Lifetime會使導通電流中，電洞電流的比例降低，因為電洞較不易由P+跑到P-Base。所以相同的導通電流的情況下，Lifetime低的IGBT，其電子電流的成分增加，關閉後電流的Tail較容易消失。

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

對NPT IGBT而言，顧名思義就是P-Base不會與P+接觸，因此N-必須足夠長，且濃度要淡，以承受所需的崩潰電壓。NPT的好處是，它可以承受雙向的電壓，也就是說它的Forward Blocking電壓與Reverse Blocking電壓都很高。但由於它的N-區域很長，因此導通電阻與操作速度都受到影響。

另一方面，PT IGBT的N-區域相當短，在元件關閉時，這一區域是完全空乏的。但PT有一N Buffer層來阻擋Depletion Region與P+接觸。通常PT IGBT會有Lifetime Killing的步驟，因為N-短，載子的Lifetime不需太長，即可影響整個N-區域。PT的好處是，導通電阻小，操作速度快[4][5]。雖然PT IGBT有一些優勢，但就成本上來考量，PT IGBT的成本較高。因為PT IGBT需使用Epi Wafer及Lifetime Kill Process。由於Epi Wafer的花費問題，PT的結構不常被使用在1200V以上的IGBT。

Latch-Up

Latch-Up是IGBT的一個重要問題，它是決定IGBT能夠導通多少電流的一個考量。不只如此，Latch-Up也關係到FBSOA及RBSOA，即IGBT所能操作的區域(註三)。IGBT有一寄生的Thyristor，如果讓它導通的話，那電流就會相當大且不受閘極的電壓控制，元件可能因此而燒毀。要抑制Latch-Up可以由降低PNP或NPN Bipolar的Gain著手。

溫度

當IGBT的電流低時，導通電阻(或壓降)主要是由PN Junction的壓降決定。因此當溫度升高時，導通某一電流所需的電壓就會下降。若IGBT的電流大時，MOS的Channel電阻就會主導IGBT的導通電阻。溫度升高，電阻就會升高。因此最好是將IGBT操作在電阻正溫度係數區，這樣就不用擔心電流會集中在某些區域。同時也可將IGBT並聯，而不需特別的設計。在操作速度上，升高溫度會使得操作速度減慢，這是因為少數載子的Lifetime變長的緣故。溫度對Latch-Up的抑制是一不利的影響。溫度會增大寄生Bipolar的Gain，同時也會使得P-Base的電阻增大。這些都會降低觸發Latch-Up所需的電流。

Termination

一個PN Junction，在內部可看成是平面的，但是在邊緣則會成為弧形。由電學得知，曲率越大，在相同電壓下，其電場越大。因此邊緣的電場要比內部來得大。所以光做好元件本身是不夠的，必須考慮到如何減低元件邊緣的電場。一般主要是使用Floating Field Ring與Field Plate。

Planar IGBT與Trench IGBT

Planar IGBT雖然經過多年的發展，但仍有一些基本問題有待改進與克服。最明顯的是JFET效應。當兩個Cell太接近時，它們所產生的Depletion Region會壓縮到中間電子流通的路徑，使得N-電阻變大。因此兩個Cell間有其最小的距離。但增大Cell間的距離代表著Channel密度的降低，會使MOS Channel的電阻增大，同時也會引發崩潰電壓降低的問題。所以如何決定Cell間的距離，對Planar IGBT是一重要的問題。除了Cell之間的距離之外，Latch-Up也是Planar IGBT得一大問題。IGBT有一寄生的Thyristor，當電流增大時或溫度升高時，由於P-Base電阻的關係容易觸發Latch-Up。因此Latch-Up對Planar IGBT可說是無法避免的。

如同DRAM與Power MOS的演進一樣，IGBT也採用了Trench的結構。雖然Wafer的面積不斷的增大，但面積依然有限。要增加空間只有往上或往下發展，往下就是Trench。這裡所謂的Trench就是將原來IGBT水平方向的閘極改為垂直方向，向下深入Wafer內。Trench IGBT最顯而易見的優點是消除了寄生的JFET的效應。因為MOS的Channel改為垂直方向，所以Depletion Region是往下擴展，而不會如Planar IGBT般的向兩旁水平方向擴展。

相鄰Cell的Depletion Region不會互相靠近，因此JFET效應得以消除。因為沒有JFET效應，所以Cell可以靠的更近，因此增加了Channel的密度。這意味著在相同的偏壓(VCE)下，Trench IGBT可以導通更大的電流。Trench IGBT另一個優點是，有效的抑制了Latch-Up的發生。在Trench IGBT中，由於電流的方向所致，會觸發Latch-Up的區域就只剩下N+ Emitter往下延伸與P-Base接觸的地方，也就是Latch-Up與N+ Emitter的深度有關。通常在N+ Emitter旁是P-Base的Contact，此區為P+，因此能造成的壓降相當小。所以Trench IGBT對Latch-Up的抵抗力比Planar IGBT要好。

雖然Trench IGBT有許多優點，但不可諱言的，它也有一些缺點。最明顯的一點是製程上的複雜性。平面式的製程到底是比立體式的製程來得容易。Trench IGBT需要引進另外的製程，因此增加製程的複雜度。再者，由於MOS的Channel是在Trench邊上，而Trench是靠蝕刻而成。通常蝕刻的表面是不平整的，因此Channel的Mobility會降低，這會造成導通電阻的增大。

另一個問題是崩潰電壓的降低。Trench IGBT有著近乎90度的角存在，這在Planar IGBT中是見不到的。因此在Trench的角落會有大的電場產生，而此處的Oxide品質通常也不好，所以崩潰電壓會降低。雖然Trench IGBT的優異Latch-Up特性，使得其FBSOA及RBSOA變好，但也因為Trench IGBT可以導通更大的電流，使得其SCSOA較Planar為差，這是應該注意的。

市場分析

IGBT雖不是擁有最高產值的產品，可是其平均成長率為12.7%，在功率元件中拔得頭籌，顯示其受市場重視的程度，也表示IGBT在未來仍具有相當的發展潛力。表二為離散式元件前五大廠商的佔有率。由表中可以看出，越是高功率的產品，其技術程度越高，獨占性也就越強。前五大廠商就佔有IGBT市場的71.1%，所以要進入功率元件的市場並不是很容易。但不可因為有門檻就放棄此一正日漸蓬勃的市場，應從人才培養，技術改良下手，以便在國內的功率元件市場佔得先機。如果國內能擁有IGBT的製造技術，對去除壟斷，降低下游產品生產成本有相當大的助益。

結論

IGBT可說是現今功率元件市場上在中功率方面的主力，在講求100%利用能源的今天，其重要性越來越不可忽視。IGBT已由初始的Planar結構演進至第四代的Trench結構。現在又有人提出第五代Thin Wafer製程的IGBT，來增進其性能。隨著製程及設計的進步，IGBT的觸角正逐漸的深入高頻及高功率的領域，擴張其版圖。可預見的，IGBT的性能將會繼續改進，成為功率元件的主流。