IGBT同時集MOSFET易驅動和BJT大電流兩個顯著特點于一身，因此在新能源、高鐵、智能電網、電動汽車這些綠色產業中成為不可或缺的核心功率器件。

IGBT通常為單向器件，自身不具備逆向導通能力，在大部分的IGBT應用電路中，都需要反并聯二極管(續流二極管，FRD)進行保護。

圖1 IGBT的一種常用應用電路：三相逆變電路

圖1是一種常用的三相逆變電路。早期且現在仍在采用的做法是分別制作IGBT和二極管，再將兩者封裝在一起，做成IGBT模塊。

這樣的做法使IGBT模塊寄生電感較高、集成度較低。為降低成本、提高芯片的功率密度，IGBT與二極管同時在集成同一個硅片上的逆導型IGBT(Reverse Conducting IGBT, RC-IGBT)相繼問世以后，RC-IGBT已有取代傳統集成封裝IGBT、二極管對的趨勢。

下面將為大家逐步揭開RC-IGBT的神秘面紗。

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01

圖2 RC-IGBT示意圖

圖中左、中、右圖分別為傳統IGBT、二極管和RC-IGBT的結構示意圖。圖中的RC-IGBT為雙向導電IGBT基本的結構。

該結構基于IGBT的薄片工藝，將二極管的陰極集成到IGBT的陽極中，于是傳統IGBT的陽極就變成了P區、N區周期性交替排列的結構。而二極管的陽極為傳統IGBT的P-body區，如圖2中所示。

當RC-IGBT正向導通時，陽極P-emitter區向N-drift區注入少數載流子空穴，電流從IGBT陰極流出；而當RC-IGBT反向導通時，器件的電流由正向導通的二極管傳導，即電流從RC-IGBT陽極中n+區流出。

然而，該RC-IGBT結構存在一些亟待解決的問題，例如，正向導通時有電壓折回(Voltage snapback)現象(如圖3所示)，反向恢復性能差和漂移區電流分布不均勻等。這些問題是RC-IGBT產品廣泛應用的障礙。

圖3 電壓折回輸出曲線示意圖

這次我們先為大家介紹幾種為解決RC-IGBT電壓折回現象而提出的新型結構，關于其他問題的優化方案和理念后續再逐步介紹。

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02

為了能更好的理解電壓折回現象，我們首先對其成因進行一下分析。

RC-IGBT正向導通初期(發生電壓折回之前)，圖2中N-buffer與N + short相連，P-emitter/N-buffer結短路，RC-IGBT體內只有由表面MOS結構流入的電子電流。該電流流經N-buffer區，最終從N + short流出(工作機理類似VDMOS，稱之為VDMOS模式)。電流分布如圖4所示。

圖4 電壓折回前電流分布示意圖

此時，由于P-emitter區不能向N-drift區注入空穴，N-drift區也沒有電導調制效應存在，因此RC-IGBT發生電壓折回之前的導通電阻非常大。由于N-buffer區擴展電阻Rn的存在，電子電流在該路徑上會產生電壓降V NM (N點、M點如圖2中所示)。

當A、M兩端的電壓降VAM等于P-emitter/N-buffer結的內建電勢時，M點附近的P/N結開始正偏，部分P-emitter開始向N-drift區注入空穴，使其發生電導調制效應，電阻開始降低。RC-IGBT電壓開始折回時的陽極電壓VAK為V SB ，如圖3所示。

由于RC-IGBT電流的增加，M至N點之間的電勢進一步降低，致使該處的 P-emitter/N-buffer 結逐漸正偏，這樣就有更多的空穴注入N-drift區，電導調制效應增強，從而形成電流不斷增大而電阻不斷減小的正反饋過程，直至P-emitter/N-buffer 結完全正偏(工作機理為IGBT，稱之為IGBT模式)。這個電流增大的同時電壓降低過程反映到輸出特性曲線，即為 RC-IGBT的電壓折回現象。

圖5 IGBT工作模式下的電流分布示意圖

從上面分析我們可以看出，電子電流橫向流經上的電阻Rn的阻值越大，M點處的P-emitter/N-buffer結會越早開啟，N-drift區會越早發生調制效應，從而使得器件從VDMOS模式越快進入IGBT模式。

因此，Rn的阻值會直接影ΔV SB =V SB -VH大小。ΔVSB是電導調制效應帶來的陽極電壓減小幅度，也是能反映電壓 snapback 程度的一個關鍵參數。可以認為當ΔV SB =0時，電壓折回現象消失。

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03

下文將為大家簡要介紹四種基于以上分析理念(提高電子流經路徑上電阻Rn的阻值)而實現snapback-free的RC-IGBT。

圖6 具有浮空P區的RC-IGBT

圖6為具有浮空P區的RC-IGBT結構示意圖。該結構陽極區存在一浮空P區。當RC-IGBT正向導通且處于VDMOS模式時，該區域形成的勢壘阻擋電子從此區域穿過，而將其限制在圖中所示的窄通道，即Lgap所指區域。這樣就增加了電子電流流通路徑上的電阻，有效抑制了snapback現象，并且比傳統RC-IGBT具有更小的下降時間和關斷損耗。

圖7 具有半超結的RC-IGBT

圖7為RC-Semi SJ IGBT結構示意圖。該結構的設計者一改慣用思維方式，另辟蹊徑。采用半超結結構降低器件漂移區電阻，從而增加N-buffer擴展電阻Rn在總電阻中的比重，使得陽極P/n-buffer結電壓降大于內建電勢而正偏。

圖8 Separated anode-shorted LIGBT示意圖

圖9 3-D n-region-controlled anode LIGBT示意圖;(a)結構圖;(b)截面示意圖

以上討論的理念同樣可以應用在橫向器件中，圖8和圖9均為RC-LIGBT結構示意圖。兩種結構均利用高阻的N-drift代替傳統低阻的N-buffer區作為電子電流的流通通道以增加R n ，來降低折回電壓。不同之處在于圖9中的結構對該區域電阻增加了額外的控制包括寬度tn和長度L n ，增加了器件的可調參數。

以上就是從RC-IGBT結構出發，分析RC-IGBT電壓折回現象產生機理及對改進結構介紹的全部內容。