IGBT特性的中子辐照效应

IGBT特性的中子辐照效应

The Effects of Neutron Radiation on the Characteristics of the IG B T

西安电力电子技术研究所　袁寿财　(西安　710061)

摘要:简述了中子辐照对IG B T特性的影响;给出了器件在中子辐射注入剂量高达1013n/cm2时的实验结果。实验发现,随着中子注入剂量的增加,开关时间缩短、阈值电压漂移。对研究的注入剂量范围,所观察到的中子效应是因IG B T少子寿命的减少造成的,而不是因有效掺杂浓度的变化引起的。

Abstract:In this paper,the effects of neutron radiation on the characteristics of IG B T are sim ply de2 scribed.Experimental results are presented for the devices that have been irradiated with a fluence u p to1013n/ cm2.It is found that the switching time decreases and the threshold voltage shifts with increasing neutron flu2 ence.For the range of fluence studied,the observed effects are caused b y reduction of minority carrier lifetime in the IG B T and independent of the changes in the effective dopant concentration.

叙词:中子辐照/绝缘栅双极晶体管　开关时间　阈值电压

K eyw ords:neutron radiation/IGBT;switching2time;threshold2voltage

1　引　言

近年来,IG B T作为功率开关,广泛用于各个工业领域,并越来越受到人们的关注。本文简要分析了IG B T器件的关断特性,讨论了提高IG B T工作频率、缩短IG B T关断延迟的中子辐照效应,并对IG B T静态参数及开关特性进行了中子辐照实验,对比分析了实验结果。指出尽管辐照可提高器件的开关速度,但也会带来器件相关参数漂移和器件特性退化等问题。2　IGBT关断特性的分析

图1示出IG B T的基本等效电路[1]。初看起来,IG B T就象是由n沟MOSFET提供基极电流的pnp双极晶体管。当IG B T处于导通状态时,p+n结正偏,空穴从p+正向注入到n外延层中。这些空穴在基区漂移与/或扩散,部分与经过MOSFET沟道流入外延层的电子复合,剩余部分到达pnp晶体管的集电结,该结被MOS2 FET的漏2源电压反偏,所以这些剩余的空穴被扫入集电极并形成pnp的集电极电流I c。

当IG B T处于关断状态时,在器件完全关闭之前,注入到n外延层的少数载流子必须重新复合完毕,该过程一般在4μs以上,它的影响在图2所示的漏2源极电流波形中为一拖尾。

为使IG B T关断,必须使栅压低于阈值电压,这样即迅速去除了MOSFET的沟道电流,也消除了提供给双极晶体管的基区电流。尽管基区贮存电荷必然衰减,但双极晶体管的I c下降缓慢。对一定的漏2源极电压,IG B T关断时的漏2源极电流波形可理想化为图3,以简化分析

。

图1　IG B T 的等效电路

图2　IG B T关断时的电流、电压波形(2μs/格)

图3　IG B T关断电流波形(图2)的理想化分析

(纵坐标:5A/格;横坐标:2μs/格)

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《电力电子技术》1997年第2期　1997.5

最初的陡降对应于MOSFET 沟道电流的

突然消失,拖长的尾巴是因双极晶体管基区中

过剩载流子缓慢衰减的原因

。

3　实　验

选择两组封装形式不同、芯片面积各异的IG B T 样品进行中子辐照实验,表1示出辐照

前样品的静态参数。

表1　辐照前样品的静态参数

组1器件编号12345耐　

压(V )250450450350

400压　降(V )4444

4电　流(A )15(F -2封装)

组2器件编号

12345耐　

压(V )450450*********压　降(V )5

3

4.5

3

3.5

电　流(A )

9(B -3封装)

图4a 、b 分别示出用数字存储示波器测得的IG B T 关断时的电流波形。由图4可见,两组

样品都分别对应约8

μs 以上的关断拖尾延迟。图4　IG B T 的关断电流波形(4

μs/格)(a )辐照前(组Ⅰ) (b )辐照前(组Ⅱ)

表2示出经过剂量4.25×1013n/cm 2、能

量0.01Mev 的中子辐照,并放置待衰减至安全测试剂量后测得的数据。

图5a 、b 分别示出辐照后两组样品用同一设备测得的关断波形。对比后可以看出,关断

拖尾缩短约至4

μs ,而且徒降电流部分在总电流中所占比例明显增大。说明IG B T 的总电流中,流过沟道的电流部分增大,寄生双极晶体管

基区(n 外延层区)的过剩贮存电荷,即集电极电流部分减小。

表2　辐照后样品的静态参数

组1器件编号12345耐　

压(V )250450450350

400压　降(V )1 1.5 3.5 3.5

2电　流(A )15(F -2封装)

组2器件编号

12345耐　

压(V )450450*********压　降(V )

2

1

2

0.5

1

电　流(A )

9(B -3封装)

图5　IG B T 样品的关断电流波形(2

μs/格)(a )辐照前(组Ⅰ) (b )辐照前(组Ⅱ)

4　IGBT 中子效应的分析及讨论

随中子辐射发生变化的最重要材料参数是

过剩载流子寿命τ,迁移率μ和有效掺杂浓度

N B 。因引入的晶格损伤和相应的陷阱复合中

心,使得τ和μ下降,又因损伤引起的深能级补偿中心,使得有效掺杂浓度下降。在选择的IG 2

B T 中双极管的基区掺杂浓度和实验使用的中子注入剂量范围内,双极管基区有效掺杂浓度的变化是微小的,中子辐射对IG B T 特性的主要效应是通过双极晶体管基区τ的变化发生的。寿命作为注入剂量函数的经验公式为[2]:

1τ=1τ0+

φ

K

(1)

式中　τ0、

τ———分别为辐照前、辐照后的少子寿命　φ———中子注入剂量　K ———常数

当K 取4.4×106n.s/cm 2时,测得的大注

29《电力电子技术》1997年第2期　1997.5