IGBT开态的两种模型.docx
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IGBT开态的两种模型
IGBT开态的两种模型
1.M0SFET/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。
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。
Oxide\
AccumulationL^y^r
Ji
G；
J
In-
P*
!
c
J
―►
*
!
E
1
P
1
J
Carrier
L/
Density
i
（Log
i
i
Scaled
Nd
1
i
——!
%n
i
、
nop+
n2d
已知P-i-N二极管的正向导通压降为:
时，P-i-N二极管对导通压降的大小约为1V（Je=100A/cm2）。
变换后写为Je
工作在线性区时，MOSFET沟道上的压降为:
Vf，MOSFET=IcRcH=JePZReHlicOXflvT
因此IGBT工作于线性区时的导通压降为:
出现VKnee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
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。
F图为相同耐压的1200VIGBT与1200VMOSFET导通特性的比较。
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
2
1.26V，而功率MOSFET为30V。
以典型的热阻功率损耗100W/cm来确定静态工作点：
对
于IGBT，当Vg=10V,工作点（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：
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
sinhtWN—y卩玄】
布为：
p（y）二Po。
sinhWN/La）
求解p0:
大注入条件下2qDPidP二JP0二eonJc。
式子前半部分在电子电流
dyy卫,
密度为0或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。
F图为对称IGBT中，N-BASE区中的空穴分布。
xHL=200
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HL的减少，N-BASE区中空穴浓度整体下降，到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J=VP.NVNB-VMOSFET。
kT
其中Vp-nIn
q
=2厶（隔/厶）｛伽山“时他活打竹讪_1［严咛厶i如心+气）
FNOl—
<、
竝-“p
hi
_Tai!
li（F^N/La）cosh（F^N/lS
q
tnnh（网L/La）cosli（J^/La）
而MOSFET部分压降分为三个部分
JEFT区压降:
=哄RjITXSP
几PjfetV-Yjp-CELL
Wg-2^-2W.
F图为IGBT导通压降与.hl的关系
说明：
当・hl较大时，J1结的压降为主导因素。
当・hl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.HL较大，但这就限制了IGBT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。
Ie
l-Wn-Wdn-Wn
2肌
=IpIn，因为电子电流充当PNP晶体管的基极电流，则Ip与In有关系式:
_die,SAT
gm,SAT
dVG
_Lch1fPV宀。
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。
.CZ
2Lch
饱和时的电子电流In卫坐VG-VTH2,
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。
F图为IGBT饱和去工作曲线:
1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：
求解Po:
首先由三个关系式,
Jn（y）Jp（y）=Jc,
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,
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P0。
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e,s「一总芒，其中Jc0为低集电极电压下饱和集电极电流
密度。
由于前面假定了N-base区无复合，则基区输运系数：
•T为1，又由于集电极偏压低，载
在这种模型下，空间电荷区空穴浓度与集电极偏压值无关:
JC0
Psc=
qVsat,p
F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Jb,pnp=136A/cm2,有效掺
杂浓度2e18cm，，Ve,oN=0.39，p0=1.8e17cm，的空穴分布图。
SymmetricIGBTStructure
er
200ino呂。
o
Distance（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
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。
2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JC与集电极电压的特性关系，首先要求出
I
JBPNPLnFNae
，求的J1结靠N-base—侧
YqDnE
2PpkTPn+PpaDE2的空穴浓度Po（Vg），再由式子Jco-Po•—-n—Po求出低集电极偏压
Wn巴LnENAE
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JC与Vc几乎无关；2、：
・T、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。
3对称结构IGBT输出电阻
IGBT的输出电阻对于其承受电路短路能力和限定负载电流至关重要，我们希望IGBT有
较大的输出电阻来优化电路性能。
极电压无关。
在较低的集电极偏压下，倍增系数M接近1,输出电阻由增大的输运系数决定。
在较大的集电极偏压下，输运系数：
・T接近1且与集电极偏压无关，而M仍与集电极电
1JB,PNP（VG）（BVSC）-VCI
压有关，Mn代入上式得到：
Jc（Vg,Vc）n—
1-（Vc/BVscf（1-%,s）（BVsc）n-Vcn
上式两边对Jc求导得到：
R“=［宀邮七S）［。
n‘E,sJB,PNP（BVsc）（Vc）
下图为任意集电极偏压下输出电阻曲线。
1沪
02>»（l600狮0
ColleclurBia&\ullage（Volts）
结论：
随着集电极电压的增大，输出电阻先增大，这是由于输运系数：
・T增大的幅度逐
M增大造成的。
渐减慢；而在较大的集电极偏压下，输出电阻下降，这是由于倍增因子
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