IGBT的物理結(jié)構(gòu)模型—BJT&MOS模型（2）

上一章講到了IGBT的飽和電流，與MOS的飽和電流之間存在的倍數(shù)關(guān)系，這使得IGBT飽和電流比MOS大很多。同時(shí)，增益是隨BJT集電極和發(fā)射極之間的電壓（）變化而變化的，因此飽和電流也會(huì)隨電壓（）變化而變化?；仡櫋癐GBT的若干PN結(jié)”一章中關(guān)于PNP增益的討論，。這里我們簡(jiǎn)化分析過程，假設(shè)注入效率,即。的表達(dá)式為：

其中，為非耗盡區(qū)寬度，為雙極型載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度。

顯然，隨著的增長(zhǎng)，耗盡區(qū)會(huì)擴(kuò)展，相應(yīng)非耗盡區(qū)寬度會(huì)減小，就會(huì)增大，IGBT的飽和電流也會(huì)隨之增大。回顧“IGBT的若干PN結(jié)”一章中關(guān)于PN結(jié)的討論，耗盡區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系如下：

因?yàn)閜-base濃度遠(yuǎn)高于n-drift區(qū)域的濃度，因此耗盡區(qū)將主要集中于n-drift區(qū)域。忽略分子括號(hào)中的，假設(shè)芯片厚度為，并將替換成，那么就可以得到與之間的關(guān)系如下：

將代入飽和電流的表達(dá)式，如下：

之所以要整理這個(gè)表達(dá)式，原因在于電阻是電壓與電流之比，所以必須找到增益與電壓之間的關(guān)系，利用非耗盡區(qū)寬度可以建立起兩者之間的聯(lián)系。根據(jù)上述表達(dá)式，并假設(shè)IGBT飽和之后的電阻為，那么

將表達(dá)式帶入上式，就可得到IGBT電阻與電壓之間的關(guān)系，如下：

該表達(dá)式略顯繁瑣，但推導(dǎo)過程并不難，感興趣的讀者可以嘗試自行推導(dǎo)一下。下面我們看一個(gè)實(shí)際案例，了解IGBT飽和電流之后的增益、體電阻隨電壓的變化趨勢(shì)。

舉例：假設(shè)IGBT芯片厚度120μm，元胞周期5μm，溝道深度3μm，柵氧厚度120nm，溝道載流子壽命10微秒，溝道電子遷移率，閾值電壓為5V，柵極施加電壓為15V。計(jì)算非耗盡區(qū)寬度、增益以及體電阻隨的變化趨勢(shì)如下面三個(gè)圖所示?？梢钥闯鰜?，隨著從50V升高至500V，非耗盡區(qū)寬度從約90減小到近30，相應(yīng)的BJT增益從約0.15增大至超過0.7，電阻也減小了近10倍。所以，對(duì)于MOS器件來說，IGBT飽和電流隨的變化要比MOS器件更明顯。

需要注意的是，隨著電壓的增加，MOS溝道兩端所承受的電壓也會(huì)增加，回顧“IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)”一章，這會(huì)導(dǎo)致溝道縮短，這也會(huì)進(jìn)一步地導(dǎo)致飽和電流值增大。