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IGBT的終端耐壓結構—柱面結和球面結的耐壓差異(1)

冬至子 ? 來源:橘子說IGBT ? 作者:orange ? 2023-12-01 16:22 ? 次閱讀

回顧《平面結和柱面結的耐壓差異1》中柱面結的示意圖,在三維結構中,PN結的擴散窗口會同時向x方向和z方向擴散,那么在角落位置就會形成如圖所示的1/8球面結。

圖片

將泊松方程圖片變換為如圖所示的圖片的球坐標系,如下,

圖片

考慮到球面結在圖片的摻雜濃度是一致的,僅隨圖片方向改變,所以圖片圖片均為零,(7-14)可以簡化為,

圖片

圖片圖片(低摻雜N型區域),那么(7-15)又可以簡化為,

圖片

同樣利用邊界條件:耗盡區邊沿電場為零,即圖片,可計算出球面PN結耗盡區內任意位置的電場強度:

圖片

假設PN結的深度為圖片,那么最大電場顯然也出現在PN結界面圖片

圖片

同時考慮到承受高電壓時,耗盡區的寬度圖片遠大于PN結深度圖片,所以電場峰值可以近似表達為:

圖片

用(7-19)除以(7-4)即可得到球面結和柱面結在相同結深圖片、相同耗盡區寬度圖片情況下的峰值電場之比,

圖片

因為圖片,所以相同耗盡區寬度的情況下,顯然球面PN結的電場峰值大于柱面PN結的電場峰值,當然進一步大于平面PN結的電場峰值。

將相同結深圖片、相同耗盡區寬度圖片情況下的平面結、柱面結、球面結的峰值電場寫到一起,如下,

圖片

假設圖片,耗盡區寬度為圖片,那么柱面結峰值電場是平面結的3倍,球面結是平面結的12倍。隨著耗盡區寬度圖片的增加,這個比值快速增加。

回顧碰撞電離率圖片的經驗表達式(7-9),與電場強度的7次方成正比,因此球面結的圖片會遠遠大于柱面結和平面結,因此角落位置是IGBT最容易發生雪崩擊穿的位置,這在設計中要謹慎,盡量避免球面結的出現。

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