IGBT开态的两种模型

IGBT开态的两种模型1.MOSFET/P-i-N模型分析IGBT开态特性的一种简单模型就是将IGBT看作是P-i-N二极管与MOSFET串联。MOSFETP+Regionp-i-HRactlfler：壬：*自辎'.■J.'.MOSFETP+Regionp-i-HRactlfler：壬：*自辎'.■J.'.1AoKColhctor |为了一维分析简单，N-区中大部分电流密度分布均匀，集电极电流从A处传输到MOSFET中。加很大的正栅压来使得IGBT工作于线性区，从而在栅极下方产生了电子积累层。开态电流流动时，电子通过沟道到达积累层可以看成是对N-base区的电子注入。同时P+集电极向N-区进行高水平注入空穴。在栅极下方部分的电子、空穴分布如下图所示。

漂移区中你n(y)=p(y)=L^CJ cosh(y/漂移区中你n(y)=p(y)=L^CJ cosh(y/L) sinh(y/L)a—2qL sinh(d/L) a 2cosh(d/L)已知P-i-N二极管的正向导通压降为:Jd2qDnF(d/L)ai a当La=；K时可以得到最小的导通压降。开态时，P-i-N二极管对导通压降的大小约为1V（ZA/顷2）。变换后写为七=e'VF,pn/2k)。4qDe'VF,pn/2k)。N工作在线性区时，MOSFET沟道上的压降为:V=IR=JpZR=——pJV=IR=JpZR=——pJcLch__F,MOSFET CCHCCHuCV-V)niOXGT因此IGBT工作于线性区时的导通压降为：■八％*/w、+—Pgr)，其图像如下图。4qDnF(W/2L)uCV—V)aiNa」niOXGTF,IGBT2kTln出现V 电压的原因：当开态集电极电流密度较低，栅压较大时，导通压降表达式中Knee第一项占主导，此时IGBT结构的集电极电流随集电极电压增加而指数增加；当较大的集电极电流密度下时，第二项占主导，相当于一个电阻与P-i-N二极管串联。

(runj<)t'TUJfj』Ew二?=iuPowerMOSFETPowerDensity=100WJcm(runj<)t'TUJfj』Ew二?=iuPowerMOSFETPowerDensity=100WJcm2BlockingVoliage=1200VTkreshuldVoltage=5VI2 3 4CulicclurBias(Yulis)当栅压为10V时（阈值电压为5V）,在电流密度为100A/cm2时，IGBT的导通压降为1.26V,而功率MOSFET为30V。以典型的热阻功率损耗100W/cm2来确定静态工作点：对于IGBT，当Vg=10V，X作点（曲线交点）选择在电路密度为85A/cm2，开态导通压降为1.18V。而对于MOSFET，工作点位于18A/cm2，开态导通压降为5.44V。所以要达到相同的电流能力，功率MOSFET的芯片面积要比IGBT的芯片面积高5倍，同时驱动电流也增大，开关速度减慢。通过MOSFET/P-i-N模型的P-i-N二极管部分，我们可以分析载流子寿命、扩散长度对IGBT正向导通特性的影响，也可以分析增加N-宽度提高耐压对IGBT正向特性的影响。跟进一步地，该模型可以分析温度对正向导通特性的影响。这个模型的主要缺点是它忽略了注入P-base区的空穴电流成分，而下一个MOS/BJT模型（电流饱和模型）则考虑了这点。下面简单分析一下一般的NPT型IGBT（对称结构IGBT）正向导通特性。①对称结构IGBT正向导通载流子分布在MOSFET/P-i-N模型中，IGBT的N-base区自由载流子分布为：n(y)=p(y)=蚤土2qLacosh(y/n(y)=p(y)=蚤土2qLa—a，其中d=W_sinh0/L) 2cosh(d/L)J 2N

尽管在栅电极中央下方这个近似是合理的，但是在P+区下方的自由载流子的浓度很低。这是因为在正向导通状态下，这个结是反偏的，使IGBT中的边界条件不同于P-i-N二极管。因此，在远离栅电极中央处自由载流子浓度降低，使IGBT导通压降增大。一维分析，通过求解大注入条件下的稳态连续性方程得到P+区下方的N-base区少子分sinhK^-y)/L]布为项")=Po sinh仅/L)“。=JPOfeonJc。式子前半部分在电子电流一」dP=JPOfeonJc。式子前半部分在电子电流求解P:大注入条件下2qD|丁0 PVdyJy=0密度为。如e=1时成立开态时，集电极电流密度很大，在J1结附近N-base区内电子浓度很大，这促进了电子由N-base区扩散进入到P+集电极，降低了注入效率。对称结构的IGBT中，电子、空穴浓度及电子、空穴电流密度分布如下图。通过对J1结由波尔兹曼近似边界条件，对称结构的IGBT中，电子、空穴浓度及电子、空穴电流密度分布如下图。通过对J1结由波尔兹曼近似边界条件，J1结两侧的电子电流密度，和漂移区中电子电入, b流连续性方程，解出Po=-五4ac1+'1-——b2qD，其中a= nE一L"必c2qD。从而得到p(力的完整表达式。b= 仟 \。从而得到p(力的完整表达式。LJtanh伽/L)aC Na卜图为对称IGBT中，N-BASE区中的空穴分布。Distance(microns)说明：1、在J1结附近处空穴的浓度较高，而到接近J2结出空穴浓度迅速减小；2、随着T以的减少，N-BASE区中空穴浓度整体下降，至肛hl=0.2us时，在未到J2结时，空穴浓度已降到原浓度以下，此时该模型不可用。②对称IGBT结构的开态导通压降（更精确的模型）P+区下方，N-base区载流子分布与P-i-N二极管有所不同，因此开态电压降并不等于P-i-N二极管压降加上MOSFET压降，实际的IGBT导通压降V^=V*州+V雄+VMOSFET保]=翌兀曲山（吼妇｛血11】一惬一（财3]_回山-轻-附qpog+缶）/Za)cosh(^N/ZJ/Za)cosh(^N/ZJtaiili(^/Za)cosh(^/4)丛小）L而MOSFET部分压降分为三个部分JEFT区压降：「一_; ''■.7—■1："二二P.JFET=J/jEETSP=吼―2,如一2吧

工r由clvq V-rp-JcKa(K-"CKell积累层压降： “-Lf.x-",厂_、.「沟道区压降： 茂=号"*二2宜皿（七_上）(rfiA)de±g绊MSASymmetricIGBTStructureIII1111iiiii1111iBlockingVoltage=1200V(rfiA)de±g绊MSASymmetricIGBTStructureIII1111iiiii1111iBlockingVoltage=1200V6下图为IGBT导通压降与匚hl的关系High-LevelLifetime(microseconds)说明：当匚HL较大时，J1结的压降为主导因素。当cHL降低，N-base区压降迅速增大成为主导因素。因此，为降低导通压降，希望匚皿较大，但这就限制了响的开关速度。

2.电流饱和模型当IGBT进入饱和工作状态时，必须将电子电流In与空穴电流Ip从路径上分开。不能再使用P-i-N二极管与MOSFET串联的模型，应采用PNP晶体管/MOSFET模型。V10SFETIe=Ip+/〃，因为电子电流充当PNP晶体管的基极电流，则七与In有关系式:CodlAetciir8}P*Region:|V10SFETIe=Ip+/〃，因为电子电流充当PNP晶体管的基极电流，则七与In有关系式:CodlAetciir8}P*Region:|%LL|N-DriftRegionP-N.PTuntiktorEmitterMOSFETP-N-P'Iransistor"1-aPNP"1-aPNPNP=yaET1,PNP，其中T1,PNPcoshG/1)在饱和模式下，J2结耗尽区向J1结扩展，IGBT的电流饱和是由于当栅电压与阈值电压接近，MOSFET部分沟道由于集电极偏压增大而发生夹断造成的。饱和时的电子电流厂号必（匕-V『h'，CH于是集电极饱和电流IC于是集电极饱和电流IC,SAT四nfOXZ (V-V2L 11-a )GTHR,SATR,SATdIC,SATdVG^iC^.Z.V-V)。LU-a)gth相同沟道设计下，IGBT比MOSFET的饱和电流更大，这是因为PNP管的放大作用。下图为IGBT饱和去工作曲线:

对称IGBT结构的载流子分布通过分析器件工作在高集电极电流密度，高集电极偏置下的载流子分布，可以得到电荷饱和模式下更精确的输出特性。在饱和模式下，集电极偏压很高，在J2结处产生较厚的耗尽区，与正向阻断情况下空间电荷区不同。在这里的空间电荷区中包含了大量的电子和空穴，即不能认为是全耗尽，空间电荷区中的电场已足够大使得在大部分区域中电子速度饱和，则：

n=Jn,PNPSC qvsat,np=JC，SC qvsat,p=J= n=Jn,PNPSC qvsat,np=JC，SC qvsat,p空间电荷区中电子浓度为"旦 niqvWsat,nCOX——V—V

cellLch GTHN-base区中自由载流子分布由大注入下无复合条件的连续性方程决定，蛀=0。dy2解得p(y)=p0-求解p0:空间电荷区中电子浓度为"旦 niqvWsat,nCOX——V—V

cellLch GTHN-base区中自由载流子分布由大注入下无复合条件的连续性方程决定，蛀=0。dy2解得p(y)=p0-求解p0:Jp(y)=/、一,、kTdp，J(y)=qp/、〜、kTdnqpp(y)E(y)———n(y)E(y)+一p|_ qdyJnn_ qdy首先由三个关系式，，得到N-base区中电场分布：E(y)=kT(P—Pqp(y)(pn+pp) qdp带入J1结处的电场强度E(0)可以得到J1结处的空穴电流密度，J(0)=*pJc+

pp+pkTw—w~p0—P(「「。NSCb=—b求得p0=-2a1I4ac1-1———\ b2，其中a=qD nE——，EkT—WSCPn+pnpJc。由于电流密度JC又与PNP管的电流增益有关，因此还需要其他求解过程来得到p。假设在电流饱和时，集电极电流密度值随集电极偏压变化不大。低集电极偏压下下e,s=1低集电极偏压下下e,s=1-JC0LJC0LnEAE密度。由于前面假定了N-base区无复合，由于前面假定了N-base区无复合，则基区输运系数aT为1，又由于集电极偏压低，载流子倍增系数M为1，所以J=2七，p+小+♦p.。普p2。c0 W° ^LNo在这种模型下，空间电荷区空穴浓度与集电极偏压值无关：P='c0。SC qvsat,p下图为对称IGBT结构，条件：栅极偏压6V，阈值电压5V，N-base区宽度200um，氧化层厚度500埃，沟道长度1.5um，PNP晶体管的基极驱动电流JBpNp=136A/cm2，有效掺杂浓度2e18cm-3，y归次=0.39，p0=1.8e17cm-3的空穴分布图。J1io1B| |SymmetricIGBTStructureVc=400VVc=800VVc=600Vc=400VVc=800VVc=600VVc=200VTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"二 — 吨= =

200 150 100 50 0Distance（microns）由上图可知，空穴浓度由J1结处的P0线性下降到空间电荷区中的Psc。空间电荷区宽: 2^V度吧《=I3+$c_n）随集电极偏压增大而展宽，在此模型中空穴浓度大于电子浓'1D°SCnSC度，空间电荷区宽度在每个集电极偏压下均小于耗尽层宽度。在电流饱和模式下，空间电荷区既有空穴电流大于电子电流，而其余N-base电导调制区域中电子浓度与空穴浓度相等。对称结构输出特性（饱和模式）要得到在任意栅极偏压下的集电极电流密度J与集电极电压的特性关系，首先要求出

PNP晶体管的基极驱动电流J （V）油p='JB，pnp'Naf,求的ji结靠N-base一侧b,pnpg0 qD' nE的空穴浓度p（V），再由式子j=mp+-.+―p:d普p2求出低集电极偏压0G C0W0 ^LN0下的集电极电流密度。在求输出特性时，前面的两个假设：1、在饱和模式下七与Vc几乎无关；2、a「、M=1，不再适用，因此求解过程比较繁琐。这里直接给出结论，栅极偏压越大，击穿电压BVsc越小。1000008(1000008(0 1,1.1 0 200 400 600 R00 1000CGll^ctorR