资源描述：
《IGBT工作特性的理论分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第23卷4期 半 导 体 杂 志 1998年12月XIGBT工作特性的理论分析李恩玲 周如培(西安理工大学,西安,710048)摘 要 对绝缘栅双极晶体管(IGBT)的工作特性进行了理论分析。由于IGBT所含的PNP晶体管是宽基区、低增益的,因此在分析其工作特性时用了双极传输理论。在分析瞬态特性时用了非准静态近似(NQS),精确地描述了IGBT的瞬态特性。关键词 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 双极传输理论 非准静态近似TheAnalysisofTheCharacteristicsofIGBTLiEnlingZhouRupei(
2、Xi,anUniversityScienceofTechnology,Xi,an,710048)AbstractAnanalysisofthecharacteristicsofIGBTismadeinthispaperAwide2base,low2gainPNP,transistoriscontainedinIGBT,sotheambipolartransporttheoryisusedtoanalysethecharacteristicsofIGBT.WhilediscussingtransientcharacteristicofIGBT,non2quasi2static
3、analysisisusedandthetransientcharacteristicofIGBTisdescribedaccurately.KeywordsInsulatedgatebipolartransistorAmbipolartransporttheoryNonquasi2stateapproximation一、引 言 绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种新型功率器件,由于其独特的优点而使之在电力电子领域中的需求日益广泛。IGBT的元胞结构及等效电路如图1所示。 众所周知,由于IGBT含有一个高阻宽漂移基区的低增益PNP管,在实际工作电流内,它已经处于大注入状
4、态,电子和空穴电流相互耦合,因此,传统的Ebers—Moll和Gummel—[1]Poon模型不再适用。必须采用新的模型来描述IGBT的工作特性。又由于IGBT中的PNP晶体管的接触点在基区的集电结边缘,而且总电流(电子和空穴电流)均通过基区,所以IGBT中的BJT的宽基区的高注入特性可用一维双极传输方程来描述。X本文收到日期1998年5月8日·17·第23卷4期 半 导 体 杂 志 1998年12月 在瞬态分析时,准静态近似不再适用于IGBT及其它一些具有电导调制效应的功率器[2,3]件,这是因为对于低增益晶体管,在大注入工作
5、条件下,电子和空穴电流相互耦合,而且对于典型的负载,准中性基区的宽度变化速度大于基极传输速度,因此必需采用非准静态概念来描述IGBT的瞬态工作特性。图1(a)IGBT的元胞结构 (b)IGBT的等效电路二、IGBT稳态特性的分析 由于IGBT中的PNP晶体管是宽基区、低掺杂的,在较低的电流条件下已经进入了大注入状态,因此基区非平衡载流子浓度很高,电子和空穴的输运已经耦合,不能分开处理,必须用双极传输方程描述。[4] 电子和空穴的电流传输方程:5nIn=qμnnAE+qADn(1)5x5pIp=qμpAE+qADp(2)5x消去电场E,可得双极传输方程
6、b5nIn=Ic+qDAA(3)1+b5xb5pIp=Ic+qDAA(4)1+b5x式中b=μn/μp,Ic为总电流,DA=2DnDp/(Dn+Dp)双极扩散系数,以上两式均与总电流有关,表现了电子和空穴输运的耦合。 空穴连续性方程5δpδp15Jp=-5tτHq5x将方程(4)代入上式,又由于IGBT中的PNP基区中的任一点的总电流相等,所以用5IC/5x,得双极扩散方程·18·第23卷4期 半 导 体 杂 志 1998年12月25δpδp15δp2=2+(5)5xLADA5t式中LA=DA·τH为双极扩散长度。 分析IGB
7、T中PNP晶体管的坐标系如图2所示。在正向工作条件下,PNP晶体管中的集电极2基极结是反偏的,此结的耗尽层宽度为Wbej=2εSi(UBC+UBi)/(qNB)(6a)则准中性基区的宽度为W=WB-Wbcj(6b)稳态时5δp/5t=0,并利用边界条件δp(0)=p0,δp(W)=0则方程(5)的解为图2 分析IGBT中PNP晶体管的坐标系sinh[(W-x)/LA]δp(x)=p0·(7)sinh(W/LA)对上式从x=0到x=W积分,得基区载流子总电荷为WQ=qp0ALAtanh(8)2LA在大注入条件下,利用
