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快乐飞艇人工计划软件 RC-IGBT的静态特性

作者:海飞乐技术 时间:2019-03-13 15:15

  600V IGBT产品广泛应用于电磁炉、微波炉、变频空调、UPS等消费电子中,需要反向并联二极管,以完成续流功能。RC-IGBT通过在体内集成反并联FRD结构,成功消除了芯片间互联引线引入的寄生电感,提高了硅片利用率,减少了封装成本。
  RC-IGBT具有正向阻断、正向导通和反向导通能力,不存在反向阻断能力。图1是经过优化后的RC-IGBT得输出特性曲线。RC-IGBT集电极电流在栅极电压7~15V都可以饱和,饱和电流随栅极电压的增加而增加。在VG=15V时,饱和电流密度约2200A/cm2。

RC-IGBT输出特性曲线 
图1 RC-IGBT输出特性曲线
 
  1. RC-IGBT阻断
  RC-IGBT处于阻断状态时,其泄露电流通常较。ㄎ?仓梁涟擦考叮,在如此小的电流下,背面PN结无法正向导通,背部PNP管放大倍数几乎为零。因此,RC-IGBT的耐压比常规FS-IGBT高,与VDMOS相似。
 
  图2(a)是RC-IGBT、常规FS-IGBT和VDMOS的阻断曲线对比,由此可见RC-IGBT和VDMOS的阻断I-V曲线几乎重合,耐压高于传统FS-IGBT结构。图2(b)是RC-IGBT、常规FS-IGBT和VDMOS击穿条件时的一维电场分布图,RC-IGBT和VDMOS的体内电场明显高于传统FS-IGBT。所设计RC-IGBT击穿电压为745V。
三种结构击穿曲线以及击穿时的电场分布对比图 
图2 三种结构击穿曲线以及击穿时的电场分布对比图
(a)三种结构击穿曲线对比图; (b)三种结构电场分布对比图
 
  图3是RC-IGBT和常规FS-IGBT击穿条件时的电流分布图。由图可知RC-IGBT击穿时,N型漂移区中电流分布较均匀,但背部电流集中在N+短路孔靠近P型区一侧,背部PN结并未正偏导通。而传统FS-IGBT电流分布较均匀,电流通过了背部PN结。
RC-IGBT和常规FS-IGBT击穿电流分布图 
图3 RC-IGBT和常规FS-IGBT击穿电流分布图
(a)RC-IGBT击穿电流分布; (b)传统FS-IGBT击穿电流分布
 
  图4(a)为RC-IGBT击穿条件下三维电场分布。图中7个电场峰值对应Pbody下方PN结处电。?扛龅绯》逯盗讲嗟募夥宥杂?body角落处。图4(b)为击穿条件下三维碰撞电离率分布图。碰撞电离率峰值集中在Pbody附近以及Pbody下方的漂移区内。
RC-IGBT击穿条件下的三维电场以及三维碰撞电离率分布图 
图4 RC-IGBT击穿条件下的三维电场以及三维碰撞电离率分布图
(a)三维电场分布图; (b)三维碰撞电离率分布图
 
  2. RC-IGBT正向导通
  经过优化处理,RC-IGBT的snapback现象可得到消除,但RC-IGBT的正向特性与常规FS-IGBT结构存在差异。其背部N+短路孔始终存在电子通道,影响RC-IGBT的正向导通特性。此外,为降低FRD结构的反向恢复时间,RC-IGBT需要采用寿命控制技术,导致其正向导通特性进一步退化。
正向导通曲线 
图5 正向导通曲线
 
  图5是RC-IGBT和传统FS-IGBT结构的正向导通曲线。由图可见即使经过优化后的RC-IGBT正向导通特性依然比传统FS-IGBT特性差。这是由于N+短路孔的存在,为电子提供了自发射极到集电极的通路,从而影响RC-IGBT的电导调制效应。可以想象,当并联无数个元胞时,N+短路孔与P+区之比趋于0,这时RC-IGBT与传统FS-IGBT开态特性相同。此外,注意到RC-IGBT不存在传统IGBT约0.7V的膝电压,这是由于低电流时,IGBT处在MOSFET模式下。经优化后的RC-IGBT在电流密度200A/cm2条件下,正向导通压降为1.95V。其导通时的电流分布图如图6所示,图中标示出纵向AA'、BB'、CC'、DD'、EE'以及横向FF'的位置。
RC-IGBT正向导通电流分布图 
图6 RC-IGBT正向导通电流分布图
 
  图7是RC-IGBT在导通情况下的不同位置的空穴浓度以及电流密度分布图。由图7(a)可知,沿AA'和BB'的载流子浓度逐渐降低。沿CC'、DD'和EE'的载流子分布呈现典型的两边高、中间低的悬挂链分布,这得益于多晶硅栅的载流子增强效应。由图7(b)可知,沿FF'载流子浓度先增加,之后几乎不变。电流密度沿FF'逐渐增加,在N+短路孔与P+交接处,存在电流密度峰值。
不同位置载流子浓度和电流密度分布图 
图7 不同位置载流子浓度和电流密度分布图
(a)纵向沿AA'~EE'载流子浓度分布图; (b)横向沿FF'载流子浓度及电流密度分布图
 
  3. RC-IGBT反向导通
  RC-IGBT的反向导通即集成FRD的导通。集成FRD的阳极是RC-IGBT的发射极,导通时Pbody向漂移区注入空穴。由于阴极(集电极N+)所占比例远小于FRD阳极(发射极),FRD的电流主要集中在N+短路孔附近,远离N+短路孔的Pbody电流线分布稀少,如图8所示。所设计RC-IGBT的反向导通电压为1.32V。
集成FRD开通电流分布 
图8 集成FRD开通电流分布
 
  图9是图8所示不同位置的空穴分布和电流密度分布曲线。由图9(a)可知,横向载流子分布浓度从AA'至DD'呈现逐渐降低趋势,AA'和BB'载流子浓度呈现两边高,中间低的悬挂链分布。而CC'和DD'由于空穴在背面反偏PN结电场作用下,在反偏PN结附近空穴浓度急剧下降。由图9(b)可见,沿横向EE'方向,空穴浓度和电流密度呈现逐渐降低的趋势,在N+与P+交界处附近下降速度急剧增加。电流密度在N+与P+交界处出现尖峰,约1600A/cm2。
不同位置载流子及电流密度分布图 
图9 不同位置载流子及电流密度分布图
(a)纵向载流子分布图; (b)横向载流子浓度及电流密度分布图



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