N+緩沖層對PT-IGBT通態(tài)壓降影響的研究

關(guān)艷霞，凌 宇

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

N+緩沖層對PT-IGBT通態(tài)壓降影響的研究

關(guān)艷霞，凌 宇

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

N+緩沖層設(shè)計對PT-IGBT器件特性的影響至關(guān)重要。文中利用Silvaco軟件對PT-IGBT的I-V特性進(jìn)行仿真。提取相同電流密度下，不同N+緩沖層摻雜濃度PT-IGBT的通態(tài)壓降，得到了通態(tài)壓降隨N+緩沖層摻雜濃度變化的曲線，該仿真結(jié)果與理論分析一致。對于PT-IGBT結(jié)構(gòu)，N+緩沖層濃度及厚度存在最優(yōu)值，只要合理的選取可以有效地降低通態(tài)壓降。

Silvaco；PT-IGBT；N+緩沖層；通態(tài)壓降；仿真

IGBT因為擁有輸入阻抗高、損耗低、開關(guān)速度快、通態(tài)壓降低、通態(tài)電流大等優(yōu)勢而成為現(xiàn)今功率器件發(fā)展的主流產(chǎn)品[1-2]。我國市場對IGBT的需求龐大，但國內(nèi)還不能大規(guī)模生產(chǎn)自主設(shè)計的IGBT，大部分仍依靠進(jìn)口，這是我國電力電子技術(shù)發(fā)展中面臨的重大瓶頸之一[3]，IGBT的研發(fā)設(shè)計工作對我國各項事業(yè)的發(fā)展有十分重大的戰(zhàn)略意義。

與 NPT-IGBT（非穿通型 IGBT）相比，PT-IGBT（穿通型IGBT）因具有更好的開關(guān)速度及更小的功率損耗而被廣泛應(yīng)用。PT-IGBT中N+緩沖層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其特性的影響至關(guān)重要，因此要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在進(jìn)行N+緩沖層設(shè)計中，原則上是在保證正向轉(zhuǎn)折電壓的前提下選擇合理的N+緩沖層的摻雜濃度和厚度，降低通態(tài)壓降。文中使用Silvaco軟件，在保證阻斷電壓的前提下，對不同N+緩沖層摻雜濃度的PT-IGBT的通態(tài)壓降進(jìn)行了仿真分析，對PT-IGBT緩沖層的優(yōu)化設(shè)計提供了有價值的參考。

1 PT-IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 PT-IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT是在VD-MOSFET結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的器件[4]，IGBT用P+層取代了VD-MOSFET漏極中的N+型摻雜區(qū)。PTIGBT就是在陽極側(cè)的P+區(qū)和N基區(qū)間加入一個N+區(qū)，如圖1所示，加入的這個N+區(qū)稱為N+緩沖層，緩沖層的作用是阻擋IGBT在正向阻斷時耗盡層的擴(kuò)展[5-6]，使得PT-IGBT能夠用較小的N基區(qū)寬度實現(xiàn)與NPT-IGBT相同的正向阻斷能力，提高開關(guān)速度的同時保持了較低的通態(tài)壓降[7]。

圖1 PT-IGBT結(jié)構(gòu)Fig.1 Punch-through type IGBT structure

1.2 PT-IGBT的工作原理

當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時，IGBT開始導(dǎo)通。在P基區(qū)表面形成導(dǎo)電MOS溝道，電子經(jīng)MOS溝道注入N基區(qū)，同時推動了陽極P+的空穴注入。由于N基區(qū)寬度很大，大部分空穴在N基區(qū)中與從MOS溝道注入進(jìn)來的電子復(fù)合。剩余的空穴從N基區(qū)擴(kuò)散到 J2結(jié)，由于J2結(jié)輕微反偏，空穴被電場捕獲通過空間電荷區(qū)進(jìn)入P基極。由于N基區(qū)為實現(xiàn)高阻斷電壓能力而采用了低摻雜濃度，所以中等電流密度下的空穴濃度甚至超過了N基區(qū)的摻雜濃度。因此，N基區(qū)處于大注入的狀態(tài)，伴隨著很強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)[8－10]。這使得IGBT通態(tài)下得以保持很好的低通態(tài)壓降和高電流密度。

2 PT-IGBT的通態(tài)V-I特性

2.1 通態(tài)模型

當(dāng)柵極電壓足夠大時，IGBT中所包含的MOSFET結(jié)構(gòu)工作在線性模式下，IGBT的通態(tài)特性類似于PIN二極管的通態(tài)特性。因此用于分析PT－IGBT通態(tài)特性的等效模型可簡化為：一個PIN二極管串聯(lián)一個工作在線性區(qū)域的MOSFET。較大的正向柵極電壓促使導(dǎo)通狀態(tài)下的IGBT結(jié)構(gòu)在柵極下面形成堆積層，與N基區(qū)重疊。通態(tài)時的電子電流通過MOSFET的溝道到達(dá)堆積層，可以被視作是在向N基區(qū)注入。相應(yīng)地，空穴從陽極P+區(qū)注入，在N基區(qū)內(nèi)形成大注入。柵極下N基區(qū)內(nèi)的電子和空穴濃度分布與PIN二極管相似。此時IGBT的等效電路如圖2所示。

圖2 IGBT的MOSFET/PIN通態(tài)等效電路結(jié)構(gòu)Fig.2 MOSFET/PIN equivalent circuit for the On-state IGBT structure

本次仿真使用的PT－IGBT結(jié)構(gòu)參數(shù)：

表1 600V PT-IGBT的仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of the 600 V PT-IGBT structure

2.2 通態(tài)特性的仿真

根據(jù)表1所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Silvaco軟件對PT－IGBT進(jìn)行仿真。為了分析該結(jié)構(gòu)的通態(tài)特性，施加不同的柵極電壓以掃描集電極電壓。仿真結(jié)果如圖3所示，該結(jié)構(gòu)參數(shù)下IGBT的閾值電壓約5 V左右，IGBT的開啟電壓約為0.8 V。通態(tài)壓降隨柵極電壓的增加而減小，在較大的柵壓下，通態(tài)特性與PIN二極管相似。

3 N+緩沖層對通態(tài)壓降的影響

PT－IGBT結(jié)構(gòu)中N+緩沖層的設(shè)計原則是：N+緩沖層的寬度大于正向轉(zhuǎn)折電壓下空間電荷區(qū)在其中的展寬。因此，N+緩沖層的濃度越高，保證阻斷特性所需要的寬度就越小，但N+緩沖層的濃度又影響著PT－IGBT的通態(tài)壓降，下面仿真分析N+緩沖層的濃度對通態(tài)壓降的影響。

圖3 PT－IGBT的I－V輸出特性曲線Fig.3 Output I－V characteristics of the 600 V PT－IGBT structure

在其他參數(shù)不變的情況下，只改變N+緩沖層濃度，柵壓為15 V，陽極電壓從0 V逐漸增大到15 V，N+緩沖層濃度依次取 1e16、1e17、5e17、1e18、5e18及 1e19cm－3，仿真 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖4所示。提取相同電流3e－6A下的通態(tài)壓降，并繪制成曲線，如圖5所示。從圖5中我們可以觀察到，N+緩沖層摻雜濃度超過5e17cm－3時通態(tài)壓降迅速增加。由此可見，在緩沖層保持很窄的情況下，雖然可以提高N+緩沖層的摻雜濃度，使得電場在緩沖層區(qū)內(nèi)降到零。但N+緩沖層摻雜濃度的上限不可能不受限制，因為過高的摻雜濃度將使J1結(jié)注入效率降低，導(dǎo)致正向?qū)ㄌ匦宰儔摹Ｋ訬緩沖層的最佳摻雜濃度和厚度分別在 1e16～1e17cm－3和 10～15 μm。

圖4 不同N+緩沖層濃度下的輸出I－V特性曲線Fig.4 Output I－V characteristics under different doping concentration of N+buffer

圖5 通態(tài)壓降隨N+緩沖層摻雜濃度變化的曲線Fig.5 Curve of on-state voltage drop varied with different doping concentration of N+buffer

4 結(jié) 論

IGBT是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的集成功率器件，微小的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化都可能會給器件性能帶來巨大影響。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實現(xiàn)PT－IGBT在性能上的改進(jìn)。在保證正向阻斷電壓的前提下選擇合理的N+緩沖層的摻雜濃度和厚度。N+緩沖層的最佳摻雜濃度和厚度分別在 1e16～1e17cm－3和 10～15 μm。 文中針對緩沖層摻雜濃度的改變仿真分析了PT－IGBT的通態(tài)特性，探討了緩沖層的優(yōu)化問題，給PT－IGBT在緩沖層方面的優(yōu)化設(shè)計提供了有價值的參考。

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Research of the N+buffer effect on state voltage drop of PT-IGBT

GUAN Yan-xia，LING Yu
（College of Information Science and Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

The design of N+buffer plays an important role in characteristics of PT-IGBT devices.The I-V characteristics of PT-IGBT were simulated Using'Silvaco'in the paper.Comparing with the different values of on-state voltage drop under different doping concentration of the N+buffer at the same current density，the curves of on-state voltage drop with different doping concentration of the N+buffer was gained.The simulation results coincided with theoretical analysis.For PT-IGBT structure， there was an optimal value of the doping concentration of the N+buffer， and the on-state voltage drop would reduce through reasonable design.

Silvaco； PT-IGBT； N+buffer； on-state voltage drop； simulation

TN386.2

A

1674－6236（2013）07-0191-03

2012-11-28稿件編號201211241

關(guān)艷霞（1963—），女，遼寧海城人，博士，副教授。研究方向：電力半導(dǎo)體器件和微機(jī)電系統(tǒng)。