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IGBT的物理結構模型—PIN&MOS模型(2)

冬至子 ? 來源:橘子說IGBT ? 作者:orange ? 2023-11-30 17:03 ? 次閱讀

上一節的分析中,僅考慮了PIN1,而未考慮PIN2。PIN1與MOS結構相連接,而PIN2則與基區相連接。

實際工作中,IGBT的基區與發射極短路連接,PIN的陽極則與集電極相連,因為集電極接高壓,而發射極接低壓,所以PIN2的陰極區域與基區所構成的PN結一直處于反偏狀態,因此這個區域的載流子濃度為0,所以邊界條件與PIN1不同。

因為PIN2的這個特性,使得IGBT在基區附近的電導調制效應大為減弱,研究人員想了很多辦法來改善該區域的載流子濃度分布,以降低IGBT的導通損耗。

鑒于這個特征對于IGBT器件的重要性,有必要詳細分析一下實際工作狀態中的PIN1和PIN2的不同,下面進行嚴格的對比數學推演,如果覺得過程繁冗的,可以重點關注邊界條件的不同所導致的不同結果。

圖片

圖片

回顧“IGBT中的若干PN結”一章中的“PIN結構”一節,我們已經對PIN1的情況做過一些基本的推演,借此機會,這里把一些中間過程補上。

穩態情況下,載流子的濃度分布可通過求解擴散方程得到,以空穴為例,擴散方程表達如下:

圖片

其中,圖片,其中為圖片雙極性擴散系數,圖片為載流子壽命,且圖片,該方程的特征解為,

圖片

根據PIN1的邊界條件求解系數圖片圖片

在“PIN結構”一節中,我們已經進一步整理出PIN1的邊界條件,

圖片

圖片的表達式做微分,并帶入上述邊界條件中,即可得到圖片圖片與電流密度圖片之間的關系,如下:

圖片

將系數圖片圖片帶入圖片的表達式并整理,

圖片

取載流子壽命為1圖片,芯片厚度為100圖片,電流密度為圖片時,載流子濃度如圖所示。顯然,陽極(集電極)區域載流子濃度最高,在N-drift區域先降低,后升高。

圖片

對應IGBT結構(如圖虛線區域順時針旋轉90°),陰極區域對應溝槽底部區域,即載流子到達溝槽底部時,其濃度會逐漸升高,所以溝槽底部的電導調制效應是會得到增強的。在實際設計中,也會有一些技術是通過增加溝槽底部這個區域的面積來增強載流子的濃度。當然,這會對其他參數造成影響,如輸入電容等,設計中需要綜合考慮。

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