N+緩沖層對PT-IGBT通態(tài)壓降影響的研究

摘要：N+緩沖層設(shè)計(jì)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-IGBI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。
關(guān)鍵詞：Silvaco；PT-IGBT；N+緩沖層；通態(tài)壓降；仿真

    IGBT因?yàn)閾碛休斎胱杩垢?、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。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(jì)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，IGBT的研發(fā)設(shè)計(jì)工作對我國各項(xiàng)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餒沖層的結(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(jì)。在進(jìn)行N+緩沖層設(shè)計(jì)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(jì)
提供了有價(jià)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，IGBT用P+層取代了VD-MOSFET漏極中的N+型摻雜區(qū)。PT-IGBT就是在陽極側(cè)的P+區(qū)和N基區(qū)間加入一個(gè)N+區(qū)，如圖1所示，加入的這個(gè)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(shí)耗盡層的擴(kuò)展，使得PT-IGBT能夠用較小的N基區(qū)寬度實(shí)現(xiàn)與NPT-IGBT相同的正向阻斷能力，提高開關(guān)速度的同時(shí)保持了較低的通態(tài)壓降。

1．2 PT-IGBT的工作原理
    當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時(shí)，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(shí)推動(dòng)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(shí)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)。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(shí)，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(gè)PIN二極管串聯(lián)一個(gè)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(shí)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(shí)IGBT的等效電路如圖2所示。

    本次仿真使用的PT-IGBT結(jié)構(gòu)參數(shù)：

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(jì)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。
    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1e19 cm-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5e17 cm-3時(shí)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?yàn)檫^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?。所以N緩沖層的最佳摻雜濃度和厚度分別在le16～1e17cm-1和10～15μm。

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(huì)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(shí)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1e16～1e17 cm-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(jì)提供了有價(jià)值的參考。