IGBT安全工作區的物理概念和超安全工作區工作的失效機理

4、 短路持續時間Tsc和柵壓Vg、集電極—發射極導通電壓Vce(on)越大Tsc的關系

從目前IGBT生產中所用Si材料來講，有外延材料和高阻單晶材料兩種。用外延材料生產的IGBT在高壓擊穿時耗盡層穿通高阻移區而稱為PT—IGBT。用高阻單晶片生產的IGBT，由于高阻漂移區較厚，高壓擊穿時不被穿通而稱為NPT—IGBT。從溝道來分有平面柵和溝槽兩類。PT-IGBT又分為PT、SPT（軟穿通）和FS（場中止）IGBT。PT、SPT和FS-IGBT都有緩沖層，FS實際也是緩沖層，其結內電場為梯形分布。PT、SPT和FSIGBT可以做成平面柵，也可以做成溝槽柵。溝槽柵具有更低的導通壓降Vce(on)。外延PT—IGBT的最高擊穿電壓為1200V。1700V以上的IGBT多用于高阻單晶材料，其結構為NPT結構。NPT—IGBT可做成平面柵，也可做成溝槽柵。加緩沖層的NPT結構又稱FS—IGBT。

從短路能力來講，外延片產生的PT、SPT或FS—IGBT，手冊中均沒給出SCSOA。不能滿足Isc/Ic=103Vg≥15V，在額定電壓下Tsc達不到10μs。此結構的IGBT的Vce(on)為負溫度系數，不適于并聯使用，適于開關電源電路。不適于有短路要求的馬達驅動電路和電壓型逆變電路。用高阻單晶Si生產的NPN—IGBT和溝槽柵場終止IGBT都給出了短路額定值SCSOA。在Tsc≤10μs，NPT—IGBT在額定電壓下Isc/Ic=10，溝槽柵場終止IGBT Tsc≤10μs時，Isc/Ic=4。Tsc除了和結構有關外，尚和IGBT自身的垮導gm以及使用的Vg有關。在Vg一定的情況下，Gm越大Isc越高而Tsc越短。在不影響導通損耗的情況下，適當降低Vg使其不要進入深飽和區，可降低Isc和增加Tsc。Tsc越長過流保護電路的設計越容易滿足。

5、 幾個問題的討論

5.1 如何評價IGBT的短路能力

短路安全工作區實際是脈沖寬度為Tsc的單脈沖工作狀態。單脈沖下的耗散功率為

Psc= t j –t c/Z th (T sc) （2）
式中t j和t c分別為結溫和殼溫，Z th (T sc)為脈寬下Tsc的單脈沖瞬態熱阻。短路時：

Psc = Vce·Isc 代入（2）式得

Isc = t j –t c/Z th (T sc)·Vce （3）

或 Z th (T sc) = t j –t c/Vce ·Isc （4）

圖7是100A/1200V NPT—IGBT的瞬態熱阻曲線。

當已知Tsc時，可求出脈寬為Tsc時的Z thjc。這時，t j應為150℃，t c=80℃，代入（3）式可求短路時間下的。由（4）式可求出Vce和Ise下的Z th (T sc)。由可用圖7查找脈動沖寬度Tsc。

例如：Tsc=10μ，Vce=1200V，t j =150℃和t c =80℃時求可承受的短路Ise。由圖7可查得Tsc=10μs時Z th (T sc)=2.3×10-4℃/W，代入（3）得：Ise=253.6A。若Ise=1000A，Vce=1200V代入4>式求出Z th (T sc)=5.83×10-5℃/W，由圖7可知Tsc10μs。

5.2Vce(on)越高越長的討論

NTP-IGBT的Vce(on)大于PT-IGBT的Vce(on)。在額定電壓和電流相同情況下，NPT-IGBT的Vce(on)大的原因主要其高阻漂移區W n寬，在額定電壓下對應的耗盡層寬度X m沒有完全穿透W n即W n>X m。尚存在一定厚度的高阻區所致。我們可以認為IGBT的導通電阻Rce(on)= Vce(on)/Ic。在一定的Ic下Vce(on)越高Rce(on)越大。該電阻實際上是寄生PNP的管基區的縱向電阻，它對由PNP管發射區P+注入來的空穴電流起到均流作用，這樣流過強電場區的空穴電流較均勻，使得整個空間電荷區內功率密度均勻，減緩熱點的產生，從而延長了短路時間Tsc。另外，當出現過載或短路時劇增。在Rce(on)上的壓降增加。這時耗盡層X m中的電壓為Vce(on)—Ic ·Rce(on)。所以Rce(on)（Vce(on)）越大，X m中的電場子越弱T1也就越低，Tsc就越長。

5.3為什么PT—IGBT不能用于馬達驅動電路

PT—IGBT手冊中均沒有給出SCSOA。也不希望用在有短路出現的電路。正如前述PT—IGBT是用高阻厚外延Si片產生的。高阻厚外延是重摻雜P+單晶片上，通過外延技術生長N+和N-外延層。重摻雜P+單晶片本身缺陷就較多，而外延生長過程中又要引進大量的層錯、位錯外延缺陷。所以PT—IGBT在高壓（強電場）大電流下工作，強散射區較多，容易產生發熱點，在較低能量狀態下則出現燒毀。這就是說短路時間Tsc和IGBT生產材料、工藝及結構有重大關系。

6 結語

半導體器件失效機理是一個比較復雜的問題，現在正處于認識的不斷深化階段，本文提出強電場機理，僅供分析中參考。