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IGBT的静态特性:阻断特性解读

2025-11-24 09:25:40

IGBT的阻断特性与其纵向耐压结构和横向终端结构密切相关,目前仅在这里讨论体内耐压、阻断电压由器件纵向结构及掺杂浓度分布的影响。IGBT的正向阻断就是,当IGBT的集电极-发射极之间加正向电压时,即VCE>0IGBT处于正向工作状态。当栅压-发射极间电压VGE<阈值电压Vth时,Pwell表面不会形成沟道,器件处于正向阻断状态。

IGBT正向阻断特性

IGBT工作在正向阻断模式下时,集电极上施加正向电压,J1结正偏,J2结反偏,器件的阻断电压由反偏的J2结来承担,因此IGBT具有正向阻断的能力。

在正向阻断工作状态下,必须保证栅极-发射极短接,防止栅极下方形成沟道。在IGBT施加正向电压情况下,J2反偏,其空间电荷区将向两侧扩展,因此阻断电压就会受到Pwell间距的限制

PT-IGBTFS-IGBT的正向阻断特性

PT-IGBTFS-IGBT在背部都会具有一个n型层,故而在外加正向电压VCE下,其耗尽区扩展就如下图所示,峰值电场强度位于J2结处。

当外加正向电压VCE较小时,二者的耗尽层扩展宽度小于n-漂移区厚度;

随着外加正向电压VCE不断增大,当二者的耗尽层扩展宽度等于各自的n-漂移区厚度时,此时耗尽层刚好扩展至整个轻掺杂的n-漂移区的边界,J2结处的峰值电场强度仍是低于击穿电压的临界电场强度,达到了穿通条件,此时二者的阻断电压可以表示为:

NDn-漂移区的掺杂浓度,Wn-n-漂移区厚度。

随着外加正向电压的进一步增加,耗尽区继续向J1结扩展。当耗尽层扩展宽度超过n-漂移层时,耗尽区的扩展将延伸至较高掺杂的n缓冲区,此时的电场强度呈现一种梯形分布,这时因为n-漂移区和n缓冲层的掺杂浓度不同,因此电场强度的下降斜率也不同,n-漂移区和n缓冲区界面处的电场可以表示为:

EmJ2结处的峰值电场强度,NDn-漂移区的掺杂浓度,Wn-n-漂移区厚度。

如果忽略空间电荷区在Pwelln缓冲区内较小的展宽,则穿通击穿电压可以表示为:

J2结处的峰值电场强度Em等于临界击穿电场强度时,由上式可知,PT-IGBTFS-IGBT的阻断电压可以表示为:

式中Ecn-漂移区的临界击穿电场强度,Wn-n-漂移区厚度。

NPT-IGBT的正向阻断特性

NPT-IGBT的耗尽区扩散如下图所示,图中电场强度峰值在J2结处。

当外加正向电压VCE较小时,,NPT-IGBT的耗尽区的扩展宽度远小于其n-漂移区的厚度;

当外加正向电压VCE逐渐增大,耗尽区不断扩展,电场峰值增加,如下图所示。

直到峰值电场强度等于其雪崩击穿的临界电场强度时,IGBT就会发生雪崩击穿,此时IGBT的正向阻断能力由其雪崩击穿特性决定。

对于Si基材料,雪崩击穿电压BV和最大耗尽区宽度W表示:

NDn-漂移区的掺杂浓度。

实际应用中,由于饱和电压和开关速度的限制,IGBTn-漂移区厚度不会特别厚。对于NPT-IGBT而言,当正向电压较大时,n-漂移区厚度仍大于耗尽层宽度,电场强度如图中所示。

如果n-漂移区厚度较薄,当耗尽层从反偏的J2结扩展到正偏的J1结厚,J1结的空穴注入将会导致集电极电流IC大幅度增大,此时的NPT-IGBT会发生穿通击穿,其阻断电压可以表示为:

NDn-漂移区的掺杂浓度,Wn-n-漂移区厚度。

反向阻断特性

IGBT的集电极-发射极之间加反向电压时,即VCE<0IGBT处于反向工作状态,此时的反向电压主要由反偏J1结承担,其反向阻断电压主要由J1结两侧的掺杂浓度和厚度决定。

对于PT-IGBTFS-IGBT的集电极反向偏置时,J1结反偏,J3结正偏,故反向电压也主要由n缓冲层和P+集电区形成的J1结承担,其耗尽区扩展如下图所示,图中的峰值电场强度位于J2结处。

n缓冲层的掺杂浓度比n-漂移区高,这就导致了J1结的耗尽区扩展是比较有限的,故其反向阻断电压也很低。对这种结构的IGBT进行设计时,要确保这时的耗尽层扩展停留在n缓冲层内,避免反向击穿。

而对于NPT-IGBT而言,外加反向电压,J1结反偏,n-漂移区耗尽层扩展,如下图所示,J1结处的峰值电场强度最高。

因为NPT-IGBT的集电极区P+厚度很薄,能够提供的展宽余量很小,因此J1结所能承受的耐压很低,NPT-IGBT的反向阻断电压也很低。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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