絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電器控制等多種工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。IGBT在具有更低的開(kāi)關(guān)損耗的同時(shí)，還要同時(shí)具備一定的抗短路能力。短路時(shí)，如果發(fā)生短路振蕩（SCOs）現(xiàn)象，IGBT的抗短路能力會(huì)大幅下降。如果振蕩幅度過(guò)大且短路振蕩的VCE電壓范圍過(guò)寬，還可能帶來(lái)EMI危害。因此，優(yōu)化IGBT的短路條件下的SCOs是非常重要的。

一般而言，IGBT元胞的設(shè)計(jì)對(duì)SCOs的影響相對(duì)較小，不同的背面FS層和P+發(fā)射極設(shè)計(jì)會(huì)改變IGBT的pnp晶體管的雙極電流增益系數(shù)αpnp，對(duì)IGBT的SCOs影響較為明顯，可通過(guò)優(yōu)化背面設(shè)計(jì)避免SCOs發(fā)生。

如圖1，假設(shè)器件的TJ保持恒定，所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為VGE。圖1輸出曲線VCE=300V和500V時(shí)，IGBT cell部分區(qū)域（10um-110um)的電場(chǎng)強(qiáng)度和載流子密度的垂直分布情況如圖 2 所示。圖中包含三個(gè)特征區(qū)域：準(zhǔn)等離子體區(qū)、空間電荷區(qū)和等離子體區(qū)。FS區(qū)域內(nèi)存在的高電場(chǎng)強(qiáng)度是由于漂移區(qū)存在負(fù)效電荷導(dǎo)致，暫時(shí)無(wú)需考慮。

圖 1 VGE=15V,TJ = 301K下，1200V IGBT 的輸出特性曲線

VCE = 300 V(紅色),VCE = 500 V(黑色)

圖2 VCE=300V(紅色),VCE=500V(黑色)時(shí)，圖1中輸出特性曲線中電場(chǎng)強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布示意圖

用TCAD對(duì)圖3所示的電路進(jìn)行SCOs工況仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖 3 IGBT瞬態(tài)短路TCAD 仿真電路

圖4.TJ=301K,RG=0Ω,Lσ =LG=LE=0H,VGE=15V 時(shí)，VDC分別為300V 和500V下的集電極電流的瞬態(tài)仿真示意圖(紅色為300V，黑色為500V)

對(duì)上述短路振蕩的機(jī)制分析如下：

圖4標(biāo)注的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)的垂直電荷載流子密度分布如圖5所示。在 t1 到 t3 之間，電子和空穴基本上存儲(chǔ)于器件內(nèi)部。在 t2到t3之間，電荷-載流子-等離子體浪涌逐漸形成并向前推進(jìn)，大約在t5時(shí)刻到達(dá)FS區(qū)域。浪涌處會(huì)釋放出電子和空穴。這種在器件內(nèi)部周期性存儲(chǔ)和釋放電荷載流子以及電場(chǎng)強(qiáng)度分布的周期性變化是高頻短路振蕩發(fā)生的根本原因。

圖5所示放大區(qū)域中不同時(shí)刻電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況及相應(yīng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布（灰色）

如圖1中的輸出特性所示，溝道電流 ICH 通常在相對(duì)較低的 VCE 時(shí)達(dá)到飽和。空穴電流則從低 VCE 到高 VCE 逐漸增加。這種現(xiàn)象的解釋如下：集電極側(cè)高場(chǎng)區(qū)域的擴(kuò)展隨 VCE 增大而增大。如圖2所示，這導(dǎo)致p 型發(fā)射極前方的等離子體區(qū)域變小且等離子體梯度增大。因此，集電極處注入的空穴電流IC,pnp和αpnp 增加。沿著輸出特性曲線，SCOs從較低的 VCE 開(kāi)始出現(xiàn)，并隨著VCE和αpnp的增加而最終消失。αpnp可以用下式計(jì)算：

αpnp=(IC-ICH)/IC=IC,pnp/IC (1)

p 型發(fā)射極劑量的的影響

當(dāng)VG =15V且TJ=301K 時(shí)，不同 p 型發(fā)射極劑量的輸出特性如圖 6 所示。發(fā)射極劑量對(duì)空穴注入和αpnp的影響在VCE=250V之前最為顯著。圖7比較了VCE=200V 時(shí)漂移區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷載流子密度的垂直分布。提高的 p 型發(fā)射極劑量，p 型發(fā)射極前方剩余等離子體的范圍和最大水平增加；在 FS 前的漂移區(qū)中，電場(chǎng)強(qiáng)度略有增加，在 FS 區(qū)域中則略有降低。αpnp和集電極電流peak-to-peak幅度的計(jì)算值如圖 8 所示。隨著 p 型發(fā)射極劑量和αpnp的增加，SCOs發(fā)生的電壓范圍和振蕩幅度都會(huì)減小。

圖6 VGE=15V且TJ=301K 時(shí)的不同P型發(fā)射極劑量 dpem 的輸出特性(dpem1(黑色)2·dpem1(藍(lán)色)和 5·dpem1(紅色))

圖7 15V且TJ=301K 時(shí)，不同 p 型發(fā)射極劑量dpem電場(chǎng)強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況

圖8 基于圖6計(jì)算得出的αpnp，直流電壓為50V至700V范圍內(nèi)，不同p型發(fā)射極劑量dpem下的peak-to-peak-集電極幅值

FS層劑量的影響

當(dāng)VG =15V且TJ=301K 時(shí)，不同F(xiàn)S層劑量下的輸出特性如圖9所示。在 VCE>50V時(shí)，F(xiàn)S層劑量對(duì)空穴注入以及對(duì) αpnp 的影響顯著。如圖10，比較了VCE=200V 時(shí)漂移區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷載流子密度的垂直分布。降低FS層的劑量，p型發(fā)射極前方剩余等離子體的范圍減小。圖10 中給出了αpnp以及集電極電流的振蕩幅度。隨著FS層劑量的降低和αpnp的增加，SCOs出現(xiàn)的VDC范圍向更低的電壓側(cè)移動(dòng)，同時(shí)SCOs的VDC電壓范圍和集電極電流的振蕩幅度都在減小。

圖 9 E=15V且TJ=301K 時(shí)不同F(xiàn)S層劑量dfs的輸出特性(dfs1(黑色),0.8·dfs1(藍(lán)色)和 0.6·dfs1(紅色))

圖10 VCE=200 V,VGE=15V且TJ=301K時(shí)，不同場(chǎng)截?cái)鄤┝縟fs下電場(chǎng)強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況

圖11 基于圖9計(jì)算得出的αpnp,VDC 電壓為50V至700V范圍內(nèi)VGE=15V且TJ=301K時(shí)不同場(chǎng)截劑量dfs下的peak-to-peak-集電極幅值

結(jié)溫的影響

當(dāng)VGE=15V 且TJ不同時(shí)，輸出特性如圖 12 所示。溫度的變化會(huì)同時(shí)影響空穴電流和溝道電流。在圖13中，比較了 VCE=200V 時(shí)漂移區(qū)絕對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷載流子密度的垂直分布。 p 型發(fā)射極前方剩余等離子體區(qū)域的范圍隨著結(jié)溫的升高而減小。不僅SCOs VDC 電壓的范圍及振幅隨TJ的變化降低，而且在較低 VCE 時(shí)αpnp也會(huì)隨著TJ的變化而降低（圖14）。這可能是由于隨著TJ的增加，電荷載流子遷移率的降低所導(dǎo)致的。

圖12 VGE=15V時(shí)不同結(jié)溫TJ輸出特性(TJ=240K(藍(lán)色),TJ=301K(黑色),TJ =450K(紅色)

圖13 VCE=200V,VGE=15V下，不同結(jié)溫 TJ下電場(chǎng)強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況

圖14 基于圖9計(jì)算得出的αpnp,VDC 電壓為50V至700V范圍內(nèi)VGE=15V情況下不同結(jié)溫 TJ下的peak-to-peak-集電極幅值

結(jié)論：

電子和空穴密度的垂直分布揭示了SCOs是由IGBT內(nèi)部電荷載流子的周期性存儲(chǔ)和釋放所引起的。通過(guò)背面設(shè)計(jì)措施（包括在短路運(yùn)行條件下增加αpnp）可以降低SCOs的強(qiáng)度。當(dāng)αpnp值足夠大時(shí)，可以完全避免SCOs現(xiàn)象，但隨之IGBT的漏電流、關(guān)斷損耗也會(huì)增加，熱短路穩(wěn)定性變差，因此需要考慮SCOs和其他參數(shù)的折中。對(duì)于較高的結(jié)溫，SCOs現(xiàn)象會(huì)減少。