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1、第26卷第5期微电子学Vol.26,No.51996年10月MicroelectronicsOct.1996IGBT的传输特性分析日张 文 李肇基(电子科技大学微电子研究所,四川成都,610054)摘 要 对绝缘栅双极晶体管(IGBT)中宽基区、低增益pnp晶体管与普通高增益晶体管之间的差异进行了综合分析,结果表明,IGBT的工作特性必须采用双极传输理论来描述。利用两种不同的瞬态分析方法,准静态近似(QS)和非准静态近似(NQS),导出了IGBT瞬态时的电压状态方程及电荷状态方程,指出了QS法对IGBT
2、的局限性。关键词 功率电子绝缘栅双极晶体管双极传输理论准静态近似非准静态近似AnAnalysisoftheTransportCharacteristicsofIGBTsZHANGMinandLIZhaojiResearchInstituteofMicroelectronics,Univ.ofElectronicSci.&Technol.ofChina,Chengdu,Sichuan610054AbstractAnanalysisismadeonthedifferencebetweenthewide2bas
3、e,low2gainPNPtransis2torsintheIGBTandtheconventionalhigh2gainPNPtransistors.ItisshownthattheoperatingcharacteristicsoftheIGBTshouldbedescribedwiththeambipolartransporttheory.Twoap2proaches,quasi2staticapproximation(QS)andnon2quasi2staticapproximation(NQS)
4、,areemployedtoderivethetransistorvoltagestateequationandthechargestateequation,respectively.Thelimi2tationsoftheQSapproachinthedescriptionoftransientcharacteristicsoftheIGBTarepointedout.KeywordsPowerelectronics,Insulatedgatebipolartransistor,Ambipolartra
5、nsporttheory,Quasi2stateapproximation,Nonquasi2stateapproximation1 引 言绝缘栅双极晶体管(IGBT)是近年来发[1]展起来的一种新型功率器件,它既具有MOSFET输入阻抗高、驱动电路简单的优点,又具有双极功率晶体管的导通电阻低的优点,其单元结构及等效电路如图1所示。它图1IGBT单元结构及等效电路工作时类似于一个双极晶体管和一个MOS2FET的复合器件,其基极电流由MOSFET已经处于大注入状态。提供。该晶体管的基区是一个高阻的宽基区,近
6、年来,已经有人提出几种解析模型来[2～4]其基极接触在集电结边沿(即MOSFET的描述IGBT的工作特性。每种模型都利漏极)。在IGBT的实际工作电流范围内,它用双极传输理论来描述其稳态时电子和空穴收稿日期:1996—03—06日288张 文等:IGBT的传输特性分析1996年 的传输过程,但在分析瞬态时方法有所不同,为零,传导电流是少子扩散电流。因此In=0,最早由Fossum提出的模型利用了准静态近5pIp=-AqDp。对于Gummel2Poon模型,它似,后来,Hefner提出的模型采用了非准静5x
7、态近似。虽然考虑了大注入效应,但由于大注入所产众所周知,由于IGBT含有一个高阻宽生的自建电场使In(扩散)≈In(漂移),即In漂移基区的低增益pnp管,在实际工作电流≈0,因此这两种模型均未采用双极传输理内它已经处于大注入状态,电子和空穴电流论,而仅考虑了少数载流子传输。相互耦合,因此不能分别求解电子或空穴电第三,由于IGBT中pnp晶体管的基区流传输方程,而必须采用双极传输理论联立是低掺杂,在实际工作电流条件(0.20Aö2求解电子和空穴的传输方程[4]。在瞬态分析cm)下已经进入了大注入状态,因此
8、基区非平衡载流子浓度很高,且n≈p,基区中电子时,准静态近似不再适用于IGBT及其他一[5,6]向发射区有较大的背注入电流,且背注入电些具有电导调制效应的功率器件,这是因流为pnp晶体管的发射极和基极电流的重为对于低增益晶体管,在大注入工作条件下,要组成部分;而Ebers2Moll和Gummel2Poon电子和空穴电流相互耦合,而且对于典型的模型仅以一个反向饱和电流Is来描述,且常负载,准中性基区宽度的变化速度大于基极被忽略。
