N+緩沖層對PT-IGBT通態壓降影響的研究

摘要：N+緩沖層設計對PT-IGBT器件特性的影響至關重要。文中利用Silvaco軟件對PT-IGBT的I-V特性進行仿真。提取相同電流密度下，不同N+緩沖層摻雜濃度PT-IGBT的通態壓降，得到了通態壓降隨N+緩沖層摻雜濃度變化的曲線，該仿真結果與理論分析一致。對于PT-IGBI結構，N+緩沖層濃度及厚度存在最優值，只要合理的選取可以有效地降低通態壓降。
關鍵詞：Silvaco；PT-IGBT；N+緩沖層；通態壓降；仿真

IGBT因為擁有輸入阻抗高、損耗低、開關速度快、通態壓降低、通態電流大等優勢而成為現今功率器件發展的主流產品。我國市場對IGBT的需求龐大，但國內還不能大規模生產自主設計的IGBT，大部分仍依靠進口，這是我國電力電子技術發展中面臨的重大瓶頸之一，IGBT的研發設計工作對我國各項事業的發展有十分重大的戰略意義。
與NPT-IGBT(非穿通型IGBT)相比，PT-IGBT(穿通型IGBT)因具有更好的開關速度及更小的功率損耗而被廣泛應用。PT-IGBT中N餒沖層的結構參數對其特性的影響至關重要，因此要對其進行優化設計。在進行N+緩沖層設計中，原則上是在保證正向轉折電壓的前提下選擇合理的N+緩沖層的摻雜濃度和厚度，降低通態壓降。文中使用Silvaco軟件，在保證阻斷電壓的前提下，對不同N+緩沖層摻雜濃度的PT-IGBT的通態壓降進行了仿真分析，對PT-IGBT緩沖層的優化設計
提供了有價值的參考。

1 PT-IGBT的結構與工作原理
1．1 PT-IGBT的結構
IGBT是在VD-MOSFET結構基礎上發展而來的器件，IGBT用P+層取代了VD-MOSFET漏極中的N+型摻雜區。PT-IGBT就是在陽極側的P+區和N基區間加入一個N+區，如圖1所示，加入的這個N+區稱為N+緩沖層，緩沖層的作用是阻擋IGBT在正向阻斷時耗盡層的擴展，使得PT-IGBT能夠用較小的N基區寬度實現與NPT-IGBT相同的正向阻斷能力，提高開關速度的同時保持了較低的通態壓降。

1．2 PT-IGBT的工作原理
當柵極電壓大于閾值電壓時，IGBT開始導通。在P基區表面形成導電MOS溝道，電子經MOS溝道注入N基區，同時推動了陽極P+的空穴注入。由于N基區寬度很大，大部分空穴在N基區中與從MOS溝道注入進來的電子復合。剩余的空穴從N基區擴散到J2結，由于J2結輕微反偏，空穴被電場捕獲通過空間電荷區進入P基極。由于N基區為實現高阻斷電壓能力而采用了低摻雜濃度，所以中等電流密度下的空穴濃度甚至超過了N基區的摻雜濃度。因此，N基區處于大注入的狀態，伴隨著很強的電導調制效應。這使得IGBT通態下得以保持很好的低通態壓降和高電流密度。

2 PT-IGBT的通態V-I特性
2．1 通態模型
當柵極電壓足夠大時，IGBT中所包含的MOSFET結構工作在線性模式下，IGBT的通態特性類似于PIN二極管的通態特性。因此用于分析PT-IGBT通態特性的等效模型可簡化為：一個PIN二極管串聯一個工作在線性區域的MOSFET。較大的正向柵極電壓促使導通狀態下的IGBT結構在柵極下面形成堆積層，與N基區重疊。通態時的電子電流通過MOSFET的溝道到達堆積層，可以被視作是在向N基區注入。相應地，空穴從陽極P+區注入，在N基區內形成大注入。柵極下N基區內的電子和空穴濃度分布與PIN二極管相似。此時IGBT的等效電路如圖2所示。

本次仿真使用的PT-IGBT結構參數：

2．2 通態特性的仿真
根據表1所示的結構參數。利用Silvaco軟件對PT-IGBT進行仿真。為了分析該結構的通態特性，施加不同的柵極電壓以掃描集電極電壓。仿真結果如圖3所示，該結構參數下IGBT的閾值電壓約5 V左右，IGBT的開啟電壓約為0．8 V。通態壓降隨柵極電壓的增加而減小，在較大的柵壓下，通態特性與PIN二極管相似。

3 N+緩沖層對通態壓降的影響
PT-IGBT結構中N+緩沖層的設計原則是：N+緩沖層的寬度大于正向轉折電壓下空間電荷區在其中的展寬。因此，N+緩沖層的濃度越高，保證阻斷特性所需要的寬度就越小，但N+緩沖層的濃度又影響著PT-IGBT的通態壓降，下面仿真分析N+緩沖層的濃度對通態壓降的影響。
在其他參數不變的情況下，只改變N+緩沖層濃度，柵壓為15 V，陽極電壓從0 V逐漸增大到15 V，N+緩沖層濃度依次取1e16、1e17、5e17、1e18、5e18及1e19 cm-3，仿真IGBT的轉移特性曲線，如圖4所示。提取相同電流3e-6A下的通態壓降，并繪制成曲線，如圖5所示。從圖5中我們可以觀察到，N+緩沖層摻雜濃度超過5e17 cm-3時通態壓降迅速增加。由此可見，在緩沖層保持很窄的情況下，雖然可以提高N+緩沖層的摻雜濃度，使得電場在緩沖層區內降到零。但N+緩沖層摻雜濃度的上限不可能不受限制，因為過高的摻雜濃度將使J1結注入效率降低，導致正向導通特性變壞。所以N緩沖層的最佳摻雜濃度和厚度分別在le16～1e17cm-1和10～15μm。

4 結論
IGBT是結構復雜的集成功率器件，微小的結構參數變化都可能會給器件性能帶來巨大影響。通過優化結構參數可以實現PT-IGBT在性能上的改進。在保證正向阻斷電壓的前提下選擇合理的N+緩沖層的摻雜濃度和厚度。N+緩沖層的最佳摻雜濃度和厚度分別在1e16～1e17 cm-3和10～15 μm。文中針對緩沖層摻雜濃度的改變仿真分析了PT-IGBT的通態特性，探討了緩沖層的優化問題，給PT-IGBT在緩沖層方面的優化設計提供了有價值的參考。