IGBT UTC 汎翊國際	VCER	VGES	IC	VCE(Sat)			VGE(th)
Part No.	(V)	(V)	(A)	(V)	IC	VGE	(V)	(V)	Package
				(Max)	(A)	(V)	(Min)	(Max)
UG15N41	410	15	15	1.8	6	4	1.2	1.7	TO-263
UG15N41	410	15	15	1.8	6	4	1.2	1.7	TO-252
UG15N41	410	15	15	1.8	6	4	1.2	1.7	TO-220
UGV3040	450	±30	17	1.6	6	4	1.3	2.2	TO-252
UGV3040	450	±30	17	1.6	6	4	1.3	2.2	TO-263
UGV3040	450	±30	17	1.6	6	4	1.3	2.2	TO-220
UGV3040	450	±30	17	1.6	6	4	1.3	2.2	TO-220F
UGP7N60	600	±20	14	2.7	7	15	4.5	7.2	TO-252
UGP7N60	600	±20	14	2.7	7	15	4.5	7.2	TO-220
UGP7N60	600	±20	14	2.7	7	15	4.5	7.2	TO-220F
UG1N120	1200	±20	5.3	2.9	1	15	6	-	TO-220
UG5N120	1200	±20	10	2.7	5	15	6	-	TO-220
UG5N120	1200	±20	10	2.7	5	15	6	-	TO-247
UG10N120	1200	±20	17	2.7	10	15	6	-	TO-220
UG25N120	1200	±20	25	2.5	20	15	3.5	7.5	TO-220
UG25N120	1200	±20	25	2.5	20	15	3.5	7.5	TO-3P
UG25N120	1200	±20	25	2.5	20	15	3.5	7.5	TO-3PN
UG25N120	1200	±20	25	2.5	20	15	3.5	7.5	TO-247
UG11N120	1200	±20	43	2.4	11	15	5	-	TO-247

絕緣柵雙極電晶體（英語：Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT），是半導體器件的一種，主要用於電動車輛、

鐵路機車及動車組的交流電電動機的輸出控制。傳統的BJT導通電阻小，但是驅動電流大，

而MOSFET的導通電阻大，卻有著驅動電流小的優點。IGBT正是結合了這兩者的優點：不僅驅動電流小，導通電阻也很低。

構造:

這種電晶體結合了金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）的高電流單柵控制特性及雙極性電晶體的低飽和電壓的能力，

在單一的IGBT器件裡，會透過把一個隔離的場效應電晶體（FET）結合，作為其控制輸入，並以雙極性電晶體作開關。

用途和特徵:

絕緣柵雙極電晶體其基本包裝為三個端點的功率級半導體元件，其特點為高效率及切換速度快，為改善功率級BJT運作的工作狀況而誕生。

IGBT結合了場效電晶體閘極易驅動的特性與雙極性電晶體耐高電流與低導通電壓壓降特性，IGBT通常用於中高容量功率場合，

切換式電源供應器、馬達控制與電磁爐。大型的IGBT模組應用於數百安培與六千伏特的電力系統領域，其模組內部包含數個單一IGBT元件與保護電路。

IGBT為近數十年發明產物，第一代IGBT產品於1980年代與1990年初期，但其切換速度不快且開關截止時易產生拴鎖現象與二次崩潰現象，

第二代IGBT產品便有很大的進展，第三代IGBT產品為目前主流，其切換速度直逼功率級MOSFET的速度並且在電壓電流容量上有很大的進步。

原理:

IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。

由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特徵，

IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高耐壓的器件上，

功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，

以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，並簡化IGBT驅動器的原理圖。

導通:

IGBT矽片的結構與功率MOSFET的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+基片和一個N+緩衝層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)。

如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和N+區之間創建了一個J1結。

當正柵偏壓使閘極下面反演P基區時，一個N通道形成，同時出現一個電子流，並完全按照功 MOSFET的方式產生一股電流。

如果這個電子流產生的電壓在0.7V範圍內，那麼，J1將處於正向偏壓，一些電洞注入N-區內，並調整陰陽極之間的電阻率，

這種方式降低了功率導通的總損耗，並啟動了第二個電荷流。最後的結果是，

在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)；電洞電流(雙極)。

關斷:

當在閘極施加一個負偏壓或柵壓低於門限值時，通道被禁止，沒有電洞注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，

集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始後，在N層內還存在少數的載流子(少子)。

這種殘餘電流值(尾流)的降低，完全取決於關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。

少子的衰減使集電極電流具有特徵尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，

特別是在使用續流二極體的設備上，問題更加明顯。

鑒於尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與晶片的溫度、IC 和VCE密切相關的電洞移動性有密切的關係。

因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

應用範圍:

電車之馬達驅動器、變頻冷氣、變頻冰箱，甚至是大瓦特輸出音響放大器的音源驅動元件。

IGBT特點在於可以大功率場合可以快速做切換動作，因此通常應用方面都配合脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation,PWM）與低通濾波器（Low-pass Filters）。

由於半導體元件技術的精進，半導體源料品質的提升，IGBT單價價格越來越便宜，其應用範圍更貼近家用產品範圍，

不再只是高功率級的電力系統應用範疇，如電動車輛與混合動力車的馬達驅動器便是使用IGBT元件，

豐田汽車第二代混合動力車Prius II 便使用50kw IGBT模組變頻器控制兩組交流馬達/發電機 以便與直流電池組作電力能量之間的轉換。
 

---

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》

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。

《圖二 不同功率及頻率的要求》
 

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。

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。

《圖三 傳統IGBT與Power MOS的剖面圖》
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。