IGBT基本特性解析课件

1、IGBT 基本特性IGBT 基本特性IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor） 概况中高功率的主流器件商业化最成功的器件-和MOSFET相比，电流能力强，频率低-和BJT相比，功率较高IGBT 的特性 电压控制低正向压降（电导调制效应）大的正向安全工作区大的反向安全工作区IGBT（Insulated Gate Bipolar TrMOSFET 速度快BJT正向压降低结合二者的优点IGBT开启速度快关断速度慢Power (KVA)MOSFET 速度快BJT正向压降低结合二者的优点IGBT开IGBT 的结构和工作原理P+N-P-bodyP-bodyN+N+P+N

2、-P-bodyP-bodyN+N+NNPT IGBTPT IGBTJ1J2IGBT 的结构和工作原理P+N-P-bodyP-bodyNICEGRS等效电路ICEGRS等效电路VCEICEVGForward CharacteristicsReverse Characteristics输出特性反向阻断：NPT IGBT有， PT IGBT方向阻断电压低VCEICEVGForward Reverse 输出特性反向IGBT 设计优化的三角折中IGBT 设计优化的三角折中IGBT 的发展Recent and Future IGBT EvolutionGourab Majumdar, and Tadaha

3、ru MinatoPower Device Works, Mitsubishi Electric CorporationIGBT 的发展Recent and Future IGBT新型IGBT发展趋势新型IGBT发展趋势IGBT 的阻断特性IGBT 的静态特性主要考虑的四个方面BVcesVce(on)VthSCSOAIGBT 的阻断特性IGBT 的静态特性主要考虑的四个方面反向阻断J1结反偏，耗尽层扩展开基区PNP击穿电压PT-IGBT的反向阻断电压低N-漂移区的厚度选择：耗尽层扩展的最大宽度加上少数载流子的扩散长度一般不使用反向阻断特性，因为结终端技术难以实现反向阻断J1结反偏，耗尽层扩展正

4、向阻断J2结反偏，耗尽层向两边扩展P-body的掺杂控制：能使Vth达到要求；不会全耗尽元胞间距的设计：耗尽层尽量被拉平，减小曲率效应N-漂移区的设计：掺杂浓度低于相同耐压的MOSFET的 N-漂移区，因为漏电流会被PNP管放大n+n+p+p+ppp+n-CollectorEmitterJ1J2正向阻断J2结反偏，耗尽层向两边扩展n+n+p+p+ppp+DOPINGPN+NP+Electric field Symmetrical devices DOPINGPN+NP+Electric field SymPN+N-P+DOPINGNElectric fieldAsymmetrical devi

5、ces.PN+N-P+DOPINGNElectric fieldAsIGBT 的正向导通特性VGVT VCE0开启时，MOSFET部分沟道开启，产生沟道电流，为PNP管提供了基极电流，PNP管开启，IGBT开启。用以下两个模型来理解导通状态PiN rectifier/MOSFET Model: 理解IGBT的特性，但不是很精确;Bipolar Transistor/MOSFET Model: 更准确的IGBT模型.IGBT 的正向导通特性VGVT VCE0开启时GECRs is very smallCGECGERS(a)(c)(b)(a) equivalent circuit, (b) MOS

6、FET/P-i-N rectifier model and (c) Bipolar transistor/MOSFET model of the IGBTGECRs is very smallCGECGERS(a)n- basep+p basen+p+Emitter/cathode Collector/Anode J2J1PiN diodeMOSFETGECWn- basep+p basen+p+Emitter/catPiN rectifier/MOSFET Model在这个模型中，将IGBT看做是一个MOSFET和一个PIN二极管串联，电流流过这个MOSFET和PIN二极管。PIN二极管上的

7、压降和电流密度之间的关系W是N-漂移区的厚度。PiN rectifier/MOSFET Model在这个模则推导出MOSFET电流为Wcell是元胞的宽度则推导出MOSFET电流为Wcell是元胞的宽度而MOSFET部分的电流和压降的关系为则MOSFET部分的压降为IGBT的正向压降为PIN部分和MOSFET部分的压降的总和而MOSFET部分的电流和压降的关系为则MOSFET部分的压VCEICEVG根据PiN rectifier/MOSFET 模型得出的IGBT特性 VCEICEVG根据PiN rectifier/MOSFET综上: 在IGBT输出特性曲线上有一个拐点，VCE低于此拐点时，PI

8、N二极管上压降低于起始电压，不工作。 The IGBT 的导通电流和PIN一样，呈指数上升. VGVF 具有电流饱和特性 VF ; BV VF该模型的缺点: 忽略了空穴电流综上:Bipolar Transistor/MOSFET ModelGECIEIMOSIBJTICn- basep+p basen+p+Emitter/cathode Collector/Anode J2J1MOSFETElectron CurrentHole CurrentBipolar Transistor/MOSFET ModeIGBT基本特性解析课件PNP管的电流放大倍数主要由基区输运系数T决定Wun-deplete

9、d 是PNP基区中没有耗尽的部分。 La 是双极载流子的扩散长度。PNP管的电流放大倍数主要由基区输运系数T决定Wun-de正向压降推导的方式和PIN/MOSFET模型一样，但将电流IC换成(1-PNP)IC 正向压降推导的方式和PIN/MOSFET模型一样，但将电流I根据MOSFET的电流电压关系线性区:饱和区:根据MOSFET的电流电压关系饱和区:IGBT基本特性解析课件IGBT 的输出特性曲线.PT-IGBTNPT-IGBTVCEICEIGBT 的输出特性曲线.PT-IGBTNPT-IGBTVCPT-IGBTPT-IGBT导通状态下的载流子分布n- basep+p basen+p+Emi

10、tter/cathode Collector/Anode PiNIGBTJ2J1WP(x)Polysilicon gate regionPolysilicon gate window导通状态下的载流子分布n- basep+p basen+p+IGBT正向压降 VJFET 在VF 中占较大比重，甚至使I-V特性出现 snap-back。改进措施: 增加JFET区的掺杂浓度。P+N-P-bodyP-bodyN+N+J1J2IGBT正向压降 VJFET 在VF 中占较大比重，甚IGBT的闩锁效应闩锁效应IGBT中寄生的晶闸管开启，闩锁效应发生。电流迅速增大，最终IGBT热击穿。闩锁发生的条件npn+

11、 pnp=1IGBT的闩锁效应闩锁效应IGBT中寄生的晶闸管开启，闩锁效ICERS发生闩锁效应时的电流ICERS发生闩锁效应时的电流避免闩锁效应发生的方法: 降低NPN 管的电流增益, 降低PNP 管的电流增益;降低NPN 管和PNP管的电流增益.IGBT基本特性解析课件降低PNP管的电流增益降低PNP管的基区输运系数降低N-漂移区的少子寿命降低发射结的注入效率降低发射区的掺杂浓度添加BUFFER层集电极短路结构透明集电极结构降低PNP管的电流增益降低PNP管的基区输运系数降低NPN管的电流增益减小NPN管的基区电阻少子by-pass结构减小栅氧厚度降低NPN管的电流增益减小NPN管的基区电阻减小NPN管的基区电阻N-driftP +N-driftP+Deep P+ diffusion. Shallow P+ region by ion implantation.减小NPN管的基区电阻N-driftP +N-driftP+N-dr