IGBT動(dòng)態(tài)雪崩產(chǎn)生機(jī)制_IGBT動(dòng)態(tài)雪崩的抑制方法

在動(dòng)態(tài)關(guān)斷過(guò)程中，器件內(nèi)部所發(fā)生的由電流控制的受自由載流子濃度影響的碰撞電離現(xiàn)象。以pin二極管結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示，反向恢復(fù)開(kāi)始后，隨著過(guò)剩載流子的逐漸被抽取，pn結(jié)附近將形成空間電荷區(qū)。當(dāng)?shù)入x子層（plasma層，即整體電中性的過(guò)剩電子—空穴對(duì)堆積區(qū)）中的空穴向陽(yáng)極側(cè)（圖1左側(cè)）漂移經(jīng)過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)，n區(qū)耗盡層內(nèi)的有效的空間正電荷密度Neff將增大，由Neff=ND（n區(qū)施主濃度）增至Neff=ND+p。其中，p為空穴濃度，在空間電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度隨反壓增加不斷增強(qiáng)而使空穴漂移速度趨向于飽和時(shí)，可近似認(rèn)為它與反向恢復(fù)電流密度j成簡(jiǎn)單正比，即p=j/qvsat。取空穴飽和漂移速度vsat=1×1017cm/s，當(dāng)j達(dá)到200A/cm2時(shí)，p=j/qvsat=1.6×1014cm3，而高壓二極管n基區(qū)ND通常為1013cm3量級(jí)。此時(shí)p值不僅不可忽視，而且在Neff中占主導(dǎo)地位，使其值大大增加。由泊松方程dE/dx=qNeff/ε可知，pn結(jié)附近電場(chǎng)梯度會(huì)顯著增加，在外加電壓vR相同的情況下，動(dòng)態(tài)下的電場(chǎng)峰值（具體值由j和vR的瞬時(shí)值決定）將比靜態(tài)情況有顯著增加，更加接近甚至達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。所以，此時(shí)發(fā)生雪崩碰撞電離的電壓臨界值將不再由n摻雜決定。電場(chǎng)峰值一旦達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，雪崩碰撞電離就會(huì)提前發(fā)生，這就形成了動(dòng)態(tài)雪崩。在高壓快恢復(fù)pin二極管、GTO、GCT、MCT和IGBT等雙極型器件中，都有可能發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩現(xiàn)象。

按自由載流子濃度對(duì)碰撞電離影響程度的不同，劃分了三種程度的動(dòng)態(tài)雪崩。當(dāng)反向恢復(fù)電流密度不是很大時(shí)，PN結(jié)發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩，電場(chǎng)梯度增加，電場(chǎng)峰值增強(qiáng)，此時(shí)電場(chǎng)分布形狀近似為圖1所示的直線型，稱(chēng)之為一度動(dòng)態(tài)雪崩。隨著反向恢復(fù)電流密度進(jìn)一步增大，由于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向不同，在空間電荷區(qū)內(nèi)，等離子層抽取空穴（濃度為p）及pn結(jié)附近碰撞電離所產(chǎn)生的空穴和電子（濃度分別為pav和nav）富集在不同位置上，空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布形狀隨之改變。如圖2所示，當(dāng)反向電流密度為500A/cm2時(shí)電場(chǎng)為直線型分布，但當(dāng)電流密度增大為1500A/cm2時(shí)，電場(chǎng)變?yōu)镾型分布。隨著S型分布效應(yīng)增強(qiáng)，電場(chǎng)E（x）所圍面積（即電壓）將會(huì)減小，從伏安特性上講此時(shí)二極管會(huì)進(jìn)入負(fù)微分電阻區(qū)，稱(chēng)之為二度動(dòng)態(tài)雪崩。

IGBT中的動(dòng)態(tài)雪崩，在基本原理上與pin二極管是一致的，但在具體說(shuō)來(lái)，問(wèn)題會(huì)更復(fù)雜些，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.IGBT關(guān)斷時(shí)除了像二極管一樣有一個(gè)反偏的PN結(jié)（在發(fā)射極側(cè)，下圖左側(cè)，由p阱和n基區(qū)構(gòu)成）之外，在集電極側(cè)（下圖右側(cè)），還存在一個(gè)正偏的pn結(jié)（由背P區(qū)和N基區(qū)構(gòu)成）。這一方面使得等離子層消失過(guò)程就受限于電子的抽?。ê笳哂质芟抻谡硃n結(jié)注入效率）;另一方面，由于背pn結(jié)有空穴的注入，可以抵消電子向右流動(dòng)時(shí)在nn結(jié)附近形成的負(fù)空間電荷，所以能有效地抑制nn結(jié)處的電場(chǎng)抬頭，就使得發(fā)生三度動(dòng)態(tài)雪崩的可能性大為降低。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，IGBT的抗動(dòng)態(tài)雪崩能力比起二極管來(lái)具有“先天”優(yōu)勢(shì)。尤其是沒(méi)有下圖中n緩沖層且n區(qū)更厚的NPT-IGBT，由于IGBT不存在nn結(jié)，電場(chǎng)也不會(huì)穿通至背p區(qū)，所以很難發(fā)生三度動(dòng)態(tài)雪崩。

2.IGBT在關(guān)斷過(guò)程的開(kāi)始階段，在MOS溝道未徹底關(guān)斷之前（從vGE波形是否高于閾值電壓可大致判斷），會(huì)有電子從溝道注入到空間電荷區(qū)，對(duì)進(jìn)入該區(qū)的空穴起到電荷補(bǔ)償作用，可暫時(shí)抑制集電極側(cè)pn結(jié)處的電場(chǎng)抬頭和動(dòng)態(tài)雪崩。但溝道一旦關(guān)斷，在大電流和高壓作用下，就會(huì)發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)雪崩現(xiàn)象。所以，發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩的IGBT的關(guān)斷波形通常表現(xiàn)為：電壓先以正常的較大速率上升，但在發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩后，由于過(guò)剩載流子抽取速度變慢，電壓上升率會(huì)明顯減弱。如圖5（a）所示。按照這一思路，只要加大RG電阻，使溝道關(guān)斷變慢，讓導(dǎo)通的溝道一直等到集電極電流明顯減小之后再關(guān)斷，就可以有效抑制動(dòng)態(tài)雪崩的發(fā)生，如下圖（b）所示。不過(guò)，這要以增大關(guān)斷損耗為代價(jià)。

3.綜合1、2兩點(diǎn)可知，IGBT通常在過(guò)流、高壓和低柵電阻條件下才會(huì)發(fā)生顯著的的動(dòng)態(tài)雪崩。在廠商數(shù)據(jù)表（datasheet）所給定的額定電流、電壓以及較大柵電阻條件下，一般是可以安全關(guān)斷的，因此數(shù)據(jù)表會(huì)給出一個(gè)矩形的關(guān)斷SOA。但正如本文引言部分所述，在高壓領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求中，往往會(huì)對(duì)器件的堅(jiān)固性有極端要求，因此實(shí)際器件堅(jiān)固性的指標(biāo)必須像圖6那樣大大超越數(shù)據(jù)表中的SOA［4］，才能具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，研究IGBT的動(dòng)態(tài)雪崩問(wèn)題，往往要針對(duì)過(guò)流、低柵阻、大雜散電感（可誘生過(guò)壓）、非箝位感性開(kāi)關(guān)（UIS）（可產(chǎn)生高于額定電壓的高壓）和短路（高壓及過(guò)流同時(shí)存在且維持?jǐn)?shù)μs至10μs時(shí)間）等極端條件展開(kāi)。

4.由于器件內(nèi)部的柵電阻在芯片內(nèi)有分布效應(yīng)，所以IGBT內(nèi)部元胞的溝道是漸次關(guān)斷的。在部分元胞溝道關(guān)斷后，電子電流會(huì)向仍開(kāi)通的元胞溝道擠壓，在動(dòng)態(tài)雪崩發(fā)生之前就已經(jīng)會(huì)出現(xiàn)一定程度的電流集中，如圖7（b）所示。按照前述的原理，在適當(dāng)條件下，動(dòng)態(tài)雪崩會(huì)在溝道關(guān)斷后的元胞處首先發(fā)生并形成電流絲，這是因?yàn)檫@里沒(méi)有電子流對(duì)過(guò)多的正空間電荷進(jìn)行補(bǔ)償。兩類(lèi)電流集中有可能同時(shí)出現(xiàn)，給問(wèn)題帶來(lái)了復(fù)雜性。像二極管一樣，動(dòng)態(tài)雪崩所形成的電流絲也會(huì)轉(zhuǎn)移（圖7（d）—（f））。只不過(guò)由于IGBT正面是周期性出現(xiàn)的p阱結(jié)構(gòu)（無(wú)論平面型還是槽柵型），而不是二極管中那樣是平行平面結(jié)，因此，電流絲的轉(zhuǎn)移更像是“跳躍”，而不是像是pnp管熱絲［］，也可以是npn管熱絲。

背p區(qū)摻雜和體內(nèi)壽命控制的橫向不均勻同樣會(huì)引起正面電流集中于特定部位。

5.結(jié)終端處其實(shí)是有源區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)周期性突然喪失、不均勻性最為突出的部位。而在關(guān)斷過(guò)程中，結(jié)終端附近又往往是電場(chǎng)和載流子集中的區(qū)域，所產(chǎn)生的空穴電流會(huì)集中最外圈元胞（主結(jié)）處，這種密集的電流很難向體內(nèi)移動(dòng)，因而最終形成局域熱擊穿。

提高IGBT抗動(dòng)態(tài)雪崩能力的措施

針對(duì)上述失效機(jī)理，可采用的提高IGBT抗動(dòng)態(tài)雪崩能力的措施主要有：

（1）適當(dāng)提高注入效率的背p區(qū)和n緩沖層/場(chǎng)中止層的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）優(yōu)化元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化對(duì)n+源區(qū)的保護(hù)，盡量減小n+區(qū)下方的橫向電阻，提高常溫及高溫條件下的閂鎖電流閾值。

（3）采用優(yōu)質(zhì)襯底片和優(yōu)良的加工設(shè)備，盡可能提高材料及工藝的均勻性。

（4）進(jìn)行特殊和優(yōu)化的結(jié)終端設(shè)計(jì)，以減小主結(jié)邊緣處的載流子富集和電場(chǎng)集中。

（5）在有源區(qū)采用特殊設(shè)計(jì)和工藝，使有源區(qū)的靜態(tài)擊穿電壓和動(dòng)態(tài)雪崩鉗位電壓都低于非有源區(qū)（含結(jié)終端區(qū)和柵匯流條、柵焊盤(pán)區(qū)）的擊穿電壓。如圖8所示。

基于通過(guò)壽命控制優(yōu)化快速掃出內(nèi)部載流子的理念，新設(shè)計(jì)的3.3kVIGBT模塊具有快速開(kāi)關(guān)和快速恢復(fù)特性。在諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器模擬電路中，與傳統(tǒng)高速模塊比，初級(jí)端IGBT的損耗降低15%，次級(jí)端二極管的損耗降低47%。通過(guò)降低IGBT和二極管的損耗，新設(shè)計(jì)的模塊將適用于雙向和中頻應(yīng)用，例如DC/DC諧振轉(zhuǎn)換器。這一設(shè)計(jì)概念也可用于6.5kVIGBT和其他電壓級(jí)別器件。因此，可以考慮多種中頻應(yīng)用電路拓?fù)?。另外，我們還在模擬電路中評(píng)估了SiC-JBS二極管。SiC-JBS表現(xiàn)出最低功耗，對(duì)未來(lái)10kHz以上的高頻應(yīng)用，會(huì)帶來(lái)極大好處。不管怎么說(shuō)，我們期待新設(shè)計(jì)概念適用于中頻應(yīng)用，在SiC-JBS出現(xiàn)在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)前是一理想解決方案。

以上對(duì)高壓IGBT的動(dòng)態(tài)雪崩問(wèn)題進(jìn)行了概述，涉及IGBT動(dòng)態(tài)雪崩的概念、復(fù)雜性、失效機(jī)理和應(yīng)對(duì)措施等。這些概念的建立，對(duì)于設(shè)計(jì)制造出堅(jiān)固性強(qiáng)的高壓IGBT至關(guān)重要。為獲得高性能產(chǎn)品，還需結(jié)合具體的堅(jiān)固性指標(biāo)，再結(jié)合與其他性能參數(shù)的折中關(guān)系，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入細(xì)致的分析和仿真，進(jìn)而提出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)探索，才能取得最終的成功。