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温度对IGBT静态特性的影响

2025-10-28 10:56:24

IGBT器件的通态特性和阻断特性和工作温度由很大关系,不同结构的IGBT静态特性随温度的变化也不相同。

温度对IGBT通态特性的影响

IGBT的集电极电流分为两个部分:其一是电流是由P+集电区注入到n-漂移区并经Pwell流向发射极的空穴电流;其二是由n+发射区经沟道注入到n-漂移区的电子电流。

对于PT-IGBT而言,因为其集电极一侧的pnp晶体管的电流放大系数比较高,导致其空穴电流相对较大,所以PT-IGBT器件的饱和电压降具有负温度系数,即温度越高,饱和电压降越低。

因为PT-IGBTP+集电区比较厚,导通时空穴注入的数目比较多,那么关断时需要抽取的空穴数目也会比较多,所以关断速度较慢。为了提高关断速度需要通过载流子寿命控制技术来降低少子寿命。但是又因为少子寿命随温度的升高而增大,电导调制效应持续时间长,使得器件饱和电压降减小,同时关断时间增加。

对于NPT-IGBTFS-IGBT而言,因为背部集电极区域很薄,掺杂掺杂相对较低,属于透明集电极,集电极侧PNP晶体管的电流放大系数低,电子电流大于空穴电流,因此这二者的饱和电压降具有正温度系数。

采用透明集电极设计可以实现器件快速关断,不需要对器件进行载流子寿命控制,而且FS-IGBTn-漂移区更薄,其饱和电压降更低。

温度对IGBT阻断特性的影响

IGBT的阻断电压和漏电流与温度密切相关:随着温度的升高,器件内部晶格振动加剧,载流子与晶格碰撞概率增大。所以如果具备足以击穿的碰撞电离条件的话,就必须需要更高的电场来使得载流子获得足够的能量。因此,随着温度的升高,PN结的雪崩击穿电压会有所增大。而且,因温度对pnp晶体管电流放大系数的影响,导致IGBT的阻断电压和漏电流随温度升高都会发生变化。

PN结的雪崩击穿电压与温度的关系如下:

IGBT的阻断电压除了与J2结的雪崩击穿电压有关外,还和PNP晶体管电流放大系数有关。

温度对IGBT阈值电压的影响

对于IGBT而言,随着温度的升高,器件的特性曲线会发生便宜。对于Si材料,禁带宽度Eg和载流子浓度ni与温度的关系可表示为:

IGBT的阈值电压的表达式在:进行介绍,Vth表达如下:

再将禁带宽度Eg和载流子浓度ni公式代入上式,并对温度求导:

从公式中我们可以知道,随温度升高,阈值电压降低,这主要是因为温度升高,禁带宽度变窄,沟道反型产生自由电子相对更简单。禁带宽度随温度升高变窄是因为,温度越高,晶格振动加剧,晶体原子间距增大,原子核对核外电子控制变弱,电子更易挣脱原子核的束缚而成为自由电子,反映在能带上就是价带顶的能量值升高,导带底的能量值降低,禁带宽度减小。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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