IGBT的物理結(jié)構(gòu)模型—PIN&MOS模型（1）

分析IGBT，一般可以采用兩種模型，一種是簡化的“PIN+MOS”模型，一種是更切合實際的“PNP+MOS”模型，前者邏輯分析簡單，可以描述清楚IGBT工作的基本特點；后者分析相對更復(fù)雜一些。下面我們先從第一種模型開始，分別論述。

如圖所示，虛線框內(nèi)描繪了電流從集電極到發(fā)射極的路徑，分別經(jīng)PIN和MOS溝道。實際的IGBT器件，與這個模型存在以下幾個不同點：

實際的IGBT器件電流從集電極注入是全局注入，而非局域注入；

實際的IGBT空穴電流在MOS結(jié)構(gòu)中不會通過溝道，而是從基區(qū)流出，只有電子電流從溝道流入。

下面，我們對IGBT的IV特性進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在建模過程中，需要考慮以上兩個不同點，對模型進(jìn)行修正（這里先忽略PIN2，假設(shè)電流全部從PIN1流走，下一節(jié)會專門討論PIN1和PIN2的不同）。

假設(shè)PIN的橫截面寬度為（若溝槽兩側(cè)均為發(fā)射極，那么

近似為溝槽寬度），這里主要考慮了上述第1個不同點，即集電極注入的電流全部都通過注入PIN體內(nèi)。

回顧PIN結(jié)構(gòu)的IV表達(dá)式，如下：

其中，，和分別是雙極型擴散系數(shù)和載流子壽命，具體定義可參閱“IGBT中的若干PN結(jié)”一章。假設(shè)IGBT的電流為，考慮到第一個不同點，那么上面表達(dá)式中的，其中為垂直于紙面方向延伸的長度。

進(jìn)一步地，考慮上述第二個不同點，假設(shè)所有電流都通過MOS溝道，回顧MOS溝道壓降的表達(dá)式，如下：

其中為溝道長度，為柵氧單位面積電容。當(dāng)遠(yuǎn)小于時，正常工作時這個條件一般是成立的，上式可以簡化為，

將PIN結(jié)和MOS的溝道壓降相加，即可得到IGBT的IV特性：

舉例：基于PIN+MOS模型，假設(shè)IGBT芯片厚度100μm，溝槽寬度1.5μm，溝道深度3μm，柵氧厚度120nm，載流子壽命5微秒，閾值電壓為5V，柵極施加電壓為15V，計算IGBT的IV特性曲線如圖所示。

根據(jù)計算結(jié)果，顯然存在一個二極管的開啟電壓值，略高于0.6V。超過這個開啟電壓后，IGBT的電流密度隨著電壓值的增大呈指數(shù)上升趨勢。但對于實際IGBT器件而言，隨著電流密度的增大，遷移率會相應(yīng)降低，所以增長趨勢也會相應(yīng)變緩。

PIN+MOS模型可以比較直觀地分析載流子壽命（因為包含了）、芯片厚度（因為包含了）對IGBT的IV特性的影響；同時，因為忽略了空穴電流的實際路徑，所以對于準(zhǔn)確理解IGBT的物理過程的精度是不夠的，但作為最簡單的等效模型，還是能為實際分析提供便利。