一文读懂IGBT简史

1896年，马可尼创立无线电报公司，聘请了曾担任爱迪生光电公司技术顾问的弗莱明，要求他改进无线电报接收机中的检波器，弗莱明就设想采用爱迪生效应进行检波。他在真空玻璃管内封装入两个金属片，给阳极板加上高频交变电压后，出现了爱迪生效应，在交流电通过这个装置时被变成了直流电。通过控制栅极电压可以控制电子流量，外加单向单导通，具有整流和检波两种作用。弗莱明根据“爱迪生效应”发明了电子管，这便是电子管的由来。

古列尔莫·马可尼（左）；约翰·弗莱明（右）

电子管的出现，让人类驯服了“电”这个古怪的精灵。随后经历世界大战洗礼，电子管技术不断改进，无疑让人类科技前进了一大步。但是电子管本身依然存在很多问题：体积大，功耗高，发热严重，实在太不稳定。在某些精密设备中，万一有几个损坏，要更换它们是万分痛苦的事。

所以找到新技术新产品来替代它们是迟早的事，于是一种新技术横空出世，半导体晶体管技术。

二次大战前后，基于我们知之甚多的一些事件，轴心国与同盟国日新月异的科技对抗已经到了新的维度。电子管在设备使用过程中不断暴露问题，美国贝尔实验室成立了一个固体物理研究小组，尝试制造一种能替代电子管的半导体器件。贝尔实验室对半导体材料进行了研究，决定集中研究硅、锗等半导体材料，探寻用半导体材料制作放大器件的可能性。

1947年12月，以肖克利为首的半导体研究小组实验发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生大量影响，这就是“放大”作用。在首次试验时，它能把音频信号放大100倍，这样，第一个晶体管诞生了。

美国物理学家和发明家：威廉·肖克利

1954 年，贝尔实验室开发了第一台晶体管化的计算机TRADIC，使用了大约700个晶体管和1万个锗二极管，每秒钟可以执行100万次逻辑操作，功率仅为100瓦。

相比之下，半导体晶体管消耗的功率是电子管的百万分之一，体积更小，可靠性更高，最关键能在同一个硅片上复制成百上千个，这样单个晶体管的成本大大降低。一位大咖给这个行业规律做了定义：每18个月同一面积内晶体管数量翻倍，但价格不变——“摩尔定律”。

肖克利对于自由电子和空穴的形成以及伏安特性的研究，奠定了后世半导体技术发展基础。伟大人物总是充满争议性与话题性，肖克利与赫赫有名的硅谷“仙童八叛徒”，我们按下不表。可以肯定的是，没有肖克利与仙童，就没有如今的苹果、微软、谷歌、Facebook、特斯拉等一众。

“仙童八叛徒”

二战结束，各国百废待兴，开启了长达20年的高速发展。但经济腾飞背后，埋藏着中东产油国与能源需求国之间长久的供需矛盾。1973年第四次中东战争打响，矛盾彻底爆发，造成了影响深远的“第一次石油危机”。美国的工业生产下降了14%，日本的工业生产下降了20%以上，所有工业化国家的生产力增长都明显放缓。

石油禁运下高涨的油价对当时的美国，乃至全世界的生产生活以及经济发展都造成了不小影响。除去战争，另一个原因就是当时汽车，工业品的电机效率低下，单单基于MOSEFT的器件难以控制功率降低，从而产生巨量油耗。

这些电机多数是感应电机，转速由电源线频率控制。因此，当需要机器降低功率的时候，常见的解决方法是将一个物理屏障插入由泵推动的空气流或水流中，使得慢下来。

1974年，贾扬.巴利加来到通用电气的研发中心，在研究晶闸管时，巴利加得到了一些启示：他发现它们可以被改造的像普通晶体管一样工作，也就是可以按照指令打开和关闭。了解到通用对节能变频电机驱动器的需求后，巴利加设计出了一种晶闸管状的装置，将MOSFET和双极型晶体管的最佳属性相结合。1980年前后他展示了一种新的高压晶体管，这种晶体管首次利用MOS栅极区域控制单个器件内的双极电流——绝缘栅双极型晶体管-IGBT。

B·贾扬特·巴利加

新的IGBT成功地避免了灾难性的“闭锁效应”——在晶体管关闭之后仍像晶闸管一样持续导通电流，在数轮改进和完善后，IGBT得到了通用和全世界的认可。富士、日立、三菱等日企以及西门子等一众豪门都对IGBT表示出了兴趣，并最终量产器件，与通用形成激烈竞争。

IGBT历经数代沿革，2018年迎来了万众瞩目的IGBT7，它的特征是微沟槽栅+场截止。与目前使用最广泛的IGBT4相比，IGBT7沟道密度更高，元胞间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现5kv/us下的最佳开关性能，最高175℃的暂态工作结温。

在今天，IGBT模组已广泛应用于电动汽车、高速列车、新能源发电和存储、3C、航空航天、国防军工等各类产业。从结构上看，基本由：IGBT和DIODE芯片、绝缘基板、底板、外壳、灌封材料、电极部件组成。除了实现基础电气性能外，模组在很大程度上依赖于结构保护、环境隔离与散热性能。

为了保护 IGBT 电子元件免受环境影响和腐蚀，现代工艺较为成熟的是将胶粘剂灌封IGBT模块中。固化后在电子元器件表面形成保护，以达到高机械强度、高稳定性、和热管理效果，保证芯片正常工作。

目前主要应用在IGBT模块灌封的是有环氧胶和有机硅凝胶两种，有机硅凝胶具有低应力且柔软的特性，能够达到抗冲击、减震效果，同时，凝胶表面的粘性，能达到防水防潮的保护效果。

对环氧胶比较注重的性能有热膨胀系数和吸水率等性能；另外，在灌封模块后，对胶的耐高低温性能也有比较大的要求，两种胶粘剂都具有电气绝缘保护能力。

从IGBT结构的进程可以发现，IGBT的功率密度提升，结构的改进大致分成三个方向。

历代IGBT

· 器件纵向结构：非穿通型(NPT)结构→拥有缓冲层的穿通型(PT)结构→场截止型（FS）、软穿通型（SPT）结构

· 栅极结构：平面栅结构→垂直于芯片表面的沟槽型结构

· 硅片的加工工艺：外延生长技术→区熔硅单晶→多埋层外延

纵观全球市场，IGBT主要供应厂商基本是欧美及日本几家公司，它们代表着目前IGBT技术的最高水平，包括德国英飞凌、瑞士ABB、安森美以及日本三菱、东芝、富士等公司。其IGBT技术基本均发展到第七代技术产品，IGBT产品覆盖了600-6500V/2-3600A全线产品。在高电压等级领域（3300V以上）更是完全由英飞凌、ABB、三菱三大公司所控制，在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。

至于未来碳化硅MOSFET能否取代或多久取代IGBT，就交给时间去验证吧。