非对称IGBT泄漏电流分析

半导体技术人 2021-02-03 00:00


《Fundamentals of Power Semiconductor Devices》baliga:

    反向阻断结中的泄漏电流是由耗尽区域内的空间电荷产生电流形成的。在正向阻断模式下的非对称IGBT结构中,反向偏置深P/N基结J2的空间电荷产生电流因内部P-N-P晶体管的增益而放大:

给出了空间电荷产生电流密度为:


在轻掺杂基区空间电荷区宽度到达基区与缓存层界面前,随着集电极偏压的增大,空间电荷区产生电流随之增大。同时,P-N-P晶体管的电流增益(αPNP)也是集电极偏置电压的函数,当集电极偏置增加时,基区输运因子增加。在N基区的轻掺杂部分完全耗尽之前,雪崩倍增因子接近1。

    一旦N基区的轻掺杂部分完全耗尽,电场就会在N基区的轻掺杂部分与N缓冲层之间的界面上被截断。N-缓冲层中的耗尽宽度较小,空间电荷产生宽度与集电极偏置无关。在该偏置条件下,基区输运因子与集电极偏置无关。因此,泄漏电流独立于集电极偏置,直到雪崩倍增效应发生。

    少数载流子通过P-N-P晶体管的N基区的传输发生在N-缓冲层和N基区的轻掺杂部分,这些部分还没有被施加的集电极偏置耗尽。基区运输系数表示为:

    与N-缓冲层相关的基区输运因子可以从N-缓冲层内空穴电流的衰减得到(由小注入理论得到):


其中JP(yN)是P+集电区/N-缓冲层结(J1)的空穴电流密度,Jp(WNB−)是N基区轻掺杂部分与N缓冲层界面处的空穴电流密度WNB是N缓冲层的宽度,Lp,NB是N缓冲层中的少数载流子扩散长度。在小注入条件下,计算得到的泄漏电流:

其中WN是N基区轻掺杂部分的宽度,Lp是N基区轻掺杂部分的少数载流子扩散长度。在这个表达式中,在穿通前的耗尽宽度WDN表示为:

    随着集电极偏置电压的增加,P-N-P晶体管的基区输运因子增加,直到它与N-缓冲层的输运因子相等为止。

    例如,考虑不对称IGBT结构的情况,要求设计的正向阻断能力为1200V。采用掺杂浓度为5E13cm−3和宽度为100µm的轻掺杂N基区和厚度为10µm的N缓冲层来实现。在N基区轻掺杂部分的空间电荷产生寿命(τSC)为1µs的情况下,N缓冲层中给出两种掺杂浓度。在进行分析时,考虑了随着N-缓冲层掺杂浓度的增加,寿命随之降低。由图可见,空间电荷产生泄漏电流随着集电极偏置电压(到2.2E−5A.cm−2)的增加而增加,这是由于耗尽区宽度的扩展,直到大约400V。然后,空间电荷产生泄漏电流与集电极偏置无关。由于P-N-P晶体管的电流增益,非对称IGBT结构的泄漏电流大于空间电荷产生电流。对于N-缓冲层掺杂1E17cm−3的情况,在N基区的轻掺杂部分完全耗尽后,P-N-P晶体管的电流增益为0.44。本例子中的泄漏电流密度为3.9E−5Acm2。当N-缓冲层的掺杂浓度降低到1E16cm−3时,P-N-P晶体管的电流增益在N基区的轻掺杂部分完全耗尽后增加到0.70。因此,这种情况下的泄漏电流密度增加到7E−5Acm2。


    利用上述分析模型也可以得到非对称IGBT结构在高温下的泄漏电流。例如:考虑N-缓冲层掺杂浓度为1E16cm−3的情况。用分析模型计算的各种温度下的泄漏电流密度如图所示。当温度从300K增加到400K时,由于本征载流子浓度的迅速增加,泄漏电流增加了500倍。

半导体技术人 半导体器件及集成电路仿真设计、制造技术交流
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