上一章講到了IGBT的飽和電流,與MOS的飽和電流之間存在的倍數關系,這使得IGBT飽和電流比MOS大很多。同時,增益是隨BJT集電極和發射極之間的電壓()變化而變化的,因此飽和電流也會隨電壓()變化而變化?;仡櫋癐GBT的若干PN結”一章中關于PNP增益的討論,。這里我們簡化分析過程,假設注入效率,即。的表達式為:
其中,為非耗盡區寬度,為雙極型載流子擴散長度。
顯然,隨著的增長,耗盡區會擴展,相應非耗盡區寬度會減小,就會增大,IGBT的飽和電流也會隨之增大?;仡櫋癐GBT的若干PN結”一章中關于PN結的討論,耗盡區寬度與外加電壓的關系如下:
因為p-base濃度遠高于n-drift區域的濃度,因此耗盡區將主要集中于n-drift區域。忽略分子括號中的,假設芯片厚度為,并將替換成,那么就可以得到與之間的關系如下:
將代入飽和電流的表達式,如下:
之所以要整理這個表達式,原因在于電阻是電壓與電流之比,所以必須找到增益與電壓之間的關系,利用非耗盡區寬度可以建立起兩者之間的聯系。根據上述表達式,并假設IGBT飽和之后的電阻為,那么
將表達式帶入上式,就可得到IGBT電阻與電壓之間的關系,如下:
該表達式略顯繁瑣,但推導過程并不難,感興趣的讀者可以嘗試自行推導一下。下面我們看一個實際案例,了解IGBT飽和電流之后的增益、體電阻隨電壓的變化趨勢。
舉例:假設IGBT芯片厚度120μm,元胞周期5μm,溝道深度3μm,柵氧厚度120nm,溝道載流子壽命10微秒,溝道電子遷移率,閾值電壓為5V,柵極施加電壓為15V。計算非耗盡區寬度、增益以及體電阻隨的變化趨勢如下面三個圖所示。可以看出來,隨著從50V升高至500V,非耗盡區寬度從約90減小到近30,相應的BJT增益從約0.15增大至超過0.7,電阻也減小了近10倍。所以,對于MOS器件來說,IGBT飽和電流隨的變化要比MOS器件更明顯。
需要注意的是,隨著電壓的增加,MOS溝道兩端所承受的電壓也會增加,回顧“IGBT中的MOS結構”一章,這會導致溝道縮短,這也會進一步地導致飽和電流值增大。
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