IGBT模块动态雪崩产生机制和抑制方法

IGBT模块动态雪崩产生机制和抑制方法

IGBT模块动态雪崩产生机制和抑制方法

作者：微叶科技时间：2015-04-16 12:08

由于大功率电机传动、机车牵引和高压输电等领域的高压IGBT模块长期在高压大电流的工作模式下，高压ＩＧＢＴ为了承受数千伏的外加电压，其ｎ层要做得很厚，掺杂浓度也必须很低（１０１３ｃｍ－３量级或更低）时，这样低的衬底浓度很容易诱发动态雪崩现象。从而会直接影响器件的坚固性和安全工作区（ＳＯＡ）面积，与应用需求形成了强烈的反差和冲突。高压ＩＧＢＴ的动态雪崩问题一直是IGBT研究领域的技术研究重点。

IGBT动态雪崩产生机制

在动态关断过程中，器件内部所发生的由电流控制的受自由载流子浓度影响的碰撞电离现象。以ｐｉｎ二极管结构为例，如图１所示，反向恢复开始后，随着过剩载流子的逐渐被抽取，ｐｎ结附近将形成空间电荷区。当等离子层（ｐｌａｓｍａ层，即整体电中性的过剩电子—空穴对堆积区）

中的空穴向阳极侧（图１左侧）漂移经过空间电荷区时，ｎ区耗尽层内的有效的空间正电荷密度Ｎｅｆｆ将增大，由Ｎｅｆｆ＝ＮＤ（ｎ区施主浓度）增至Ｎｅｆｆ＝ＮＤ＋ｐ。其中，ｐ为空穴浓度，在空间电荷区电场强度随反压增加不断增强而使空穴漂移速度趋向于饱和时，可近似认为它与反向恢复电流密度ｊ成简单正比，即ｐ＝ｊ／ｑｖｓａｔ。取空穴饱和漂移速度ｖｓａｔ＝１×１０１７ｃｍ／ｓ，当ｊ达到２００Ａ／ｃｍ２时，ｐ＝ｊ／ｑｖｓａｔ＝１．６×１０１４ｃｍ３，而高压二极管ｎ基区ＮＤ通常为１０１３ｃｍ３量级。此时ｐ值不仅不可忽视，而且在Ｎｅｆｆ中占主导地位，使其值大大增加。由泊松方程ｄＥ／ｄｘ＝ｑＮｅｆｆ／ε可知，ｐｎ结附近电场梯度会显著增加，在外加电压ｖＲ相同的情况下，动态下的电场峰值（具体值由ｊ和ｖＲ的瞬时值决定）将比静态情况有显著增加，更加接近甚至达到临界击穿场强。所以，此时发生雪崩碰撞电离的电压临界值将不再由ｎ掺杂决定。电场峰值一旦达到临界击穿场强，雪崩碰撞电离就会提前发生，这就形成了动态雪崩。在高压快恢复ｐｉｎ二极管、ＧＴＯ、ＧＣＴ、ＭＣＴ和ＩＧＢＴ等双极型器件中，都有可能发生动态雪崩现象。按自由载流子浓度对碰撞电离影响程度的不同，划分了三种程度的动态雪崩。当反向恢复电流密度不是很大时，ＰＮ结发生动态雪崩，电场梯度增加，电场峰值增强，此时电场分布

形状近似为图１所示的直线型，称之为一度动态雪崩。随着反向恢复电流密度进一步增大，由于电子和空穴的运动方向不同，在空间电荷区内，等离子层抽取空穴（浓度为ｐ）及ｐｎ结附近碰撞电离所产生的空穴和电子（浓度分别为ｐａｖ和ｎａｖ）富集在不同位置上，空间电荷区电场分布形状随之改变。如图２所示，当反向电流密度为５００Ａ／ｃｍ２时电场为直线型分布，但当电流密度增大为１５００Ａ／ｃｍ２时，电场变为Ｓ型分布。随着Ｓ型分布效应增强，电场Ｅ（ｘ）所围面积（即电压）将会减小，从伏安特性上讲此时二极管会进入负微分电阻区，称之为二度动态雪崩。ＩＧＢＴ中的动态雪崩，在基本原理上与ｐｉｎ二极管是一致的，但在具体说来，问题会更复杂些，这主要体现在以下几个方面。

1.ＩＧＢＴ关断时除了像二极管一样有一个反偏的ＰＮ结（在发射极侧，下图左侧，由ｐ阱和ｎ基区构成）之外，在集电极侧（下图右侧），还存在一个正偏的ｐｎ结（由背Ｐ区和Ｎ基区构成）。这一方面使得等离子层消失过程就受限于电子的抽取（后者又受限于正偏背ｐｎ结注入效率）；另一方面，由于背ｐｎ结有空穴的注入，可以抵消电子向右流动时在ｎｎ结附近形成的负空间电荷，所以能有效地抑制ｎｎ结处的电场抬头，就使得发生三度动态雪崩的可能性大为

降低。从这个角度来说，ＩＧＢＴ的抗动态雪崩能力比起二极管来具有“先天”优势。尤其是没有下图中ｎ缓冲层且ｎ区更厚的ＮＰＴ－ＩＧＢＴ，由于IGBT不存在ｎｎ结，电场也不会穿通至背ｐ区，所以很难发生三度动态雪崩。

2.ＩＧＢＴ在关断过程的开始阶段，在ＭＯＳ沟道未彻底关断之前（从ｖＧＥ波形是否高于阈值电压可大致判断），会有电子从沟道注入到空间电荷区，对进入该区的空穴起到电荷补偿作用，可暂时抑制集电极侧ｐｎ结处的电场抬头和动态雪崩。但沟道一旦关断，在大电流和高压作用下，就会发生明显的动态雪崩现象。所以，发生动态雪崩的ＩＧＢＴ的关断波形通常表现为：电压先以正常的较大速率上升，但在发生动态雪崩后，由于过剩载流子抽取速度变慢，电压上升率会明显减弱。如图５（ａ）所示。按照这一思路，只要加大ＲＧ电阻，使沟道关断变慢，让导通的沟道一直等到集电极电流明显减小之后再关断，就可以有效抑制动态雪崩的发生，如下图（ｂ）所示。不过，这要以增大关断损耗为代价。

3.综合1、2两点可知，ＩＧＢＴ通常在过流、高压和低栅电阻条件下才会发生显著的的动态雪崩。在厂商数据表（ｄａｔａｓｈｅｅｔ）所给定的额定电流、电压以及较大栅电阻条件下，一般是可以安全关断的，因此数据表会给出一个矩形的关断ＳＯＡ。但正如本文引言部分所述，在高压

领域的实际应用需求中，往往会对器件的坚固性有极端要求，因此实际器件坚固性的指标必须像图６那样大大超越数据

表中的ＳＯＡ［４］，才能具备市场竞争力。因此，研究Ｉ

ＧＢＴ的动态雪崩问题，往往要针对过流、低栅阻、大杂散电感（可诱生过压）、非箝位感性开关（ＵＩＳ）（可产生高于额定电压的高压）和短路（高压及过流同时存在且维持数μｓ至１０μｓ时间）等极端条件展开。 4.由于器件内部的栅电阻在芯片内有分布效应，所以ＩＧＢＴ内部元胞的沟道是渐次关断的。在部分元胞沟道关断后，电子电流会向仍开通的元胞沟道挤压，在动态雪崩发生之前就已经会出现一定程度的电流集中，如图７（ｂ）所示。按照前述的原理，在适当条件下，动态雪崩会在沟道关断后的元胞处首先发生并形成电流丝，这是因为这里没有电子流对过多的正空间电荷进行补偿。两类电流集中有可能同时出现，给问题带来了

复杂性。像二极管一样，动态雪崩所形成的电流丝也会转移（图７（ｄ）—（ｆ））。只不过由于ＩＧＢＴ正面是周期性出现的ｐ阱结构（无论平面型还是槽栅型），而不是二极管

中那样是平行平面结，因此，电流丝的转移更像是“跳跃”，

而不是像是ｐｎｐ管热丝［］，也可以是ｎｐｎ管热丝。

背ｐ区掺杂和体内寿命控制的横向不均匀同样会引起正面

电流集中于特定部位。 5.结终端处其实是有源区内结构周