IGBT轉(zhuǎn)移特性的計算與仿真研究

（西安電力電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710077）

近年來，IGBT被廣泛使用，提高功率容量是其發(fā)展趨勢。在高壓IGBT中，提高通流與抗閂鎖能力成為設(shè)計的主要目標之一，通過優(yōu)化表面MOS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。器件的轉(zhuǎn)移特性強烈依賴于表面MOS結(jié)構(gòu)，通過閾值電壓來表征。

1 IGBT轉(zhuǎn)移特性的理論分析

1．1 GBT 的轉(zhuǎn)移特性

IGBT的柵極與發(fā)射極處于正向偏置，集電極電流隨柵極與發(fā)射極電壓變化而變化的關(guān)系稱為IGBT的轉(zhuǎn)移特性。當柵射極之間的電壓小于閾值電壓時IGBT阻斷。因受限于最大集電極電流，實際應(yīng)用中，IGBT的最高柵射電壓通常取為15V左右。

1．2 閾值電壓的理論分析

閾值電壓的數(shù)學(xué)表達式如式（1）所示：

2 IGBT轉(zhuǎn)移特性的計算機仿真

2．1 ISE 仿真過程

本文關(guān)于轉(zhuǎn)移特性的計算機仿真過程如下：（1）利用Dios工藝仿真模塊生成器件的表面MOS結(jié)構(gòu)。（2）將由Dios生成的表面MOS結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到Mdraw模塊中，并對需要優(yōu)化的區(qū)域進行優(yōu)化。（3）利用Dessis電氣特性仿真模塊仿真器件的轉(zhuǎn)移特性。（4）在Ispect圖形查看模塊中查看轉(zhuǎn)移特性曲線。

2．2 IGBT表面MOS結(jié)構(gòu)的生成

利用DIOS模塊進行工藝仿真，生成器件的二維結(jié)構(gòu)圖。鑒于器件結(jié)構(gòu)的對稱性，為了提高工作效率兼顧仿真結(jié)果準確性，仿真生成了一半的器件表面MOS結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 器件表面MOS結(jié)構(gòu)

2．3 表面MOS結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

利用Mdaw模塊對器件結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格優(yōu)化，提高仿真結(jié)果的準確性的同時盡量縮短仿真的時間。器件表面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格優(yōu)化如圖2。

圖2 器件表面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格優(yōu)化

2．4 轉(zhuǎn)移特性仿真

利用Dessis模塊進行器件的電氣特性仿真。

（1）閾值電壓與P阱摻雜濃度的關(guān)系。對四種P阱摻雜濃度進行研究，如圖3所示。隨摻雜濃度增大，轉(zhuǎn)移特性曲線整體右移，器件閾值電壓增大。這是由于雜質(zhì)補償效應(yīng)使得形成溝道愈發(fā)困難，即閾值電壓變大，仿真結(jié)果表明，這一關(guān)系呈現(xiàn)非線性。

圖3 不同P阱雜質(zhì)濃度下的轉(zhuǎn)移特性曲線

（2）閾值電壓與柵極氧化層厚度的關(guān)系。針對四種柵極氧化層厚度進行研究，如圖4所示。隨著柵極氧化層厚度的增加特性曲線整體右移，閾值電壓增大。表明柵極對器件溝道的控制能力被逐漸消弱，器件表面形成溝道需要更大的柵極電壓。

3 結(jié)語

對IGBT的轉(zhuǎn)移特性進行計算和仿真研究。結(jié)果表明，影響轉(zhuǎn)移特性的因素首先是P阱的摻雜濃度和雜質(zhì)的分布情況，其次，是柵極氧化層的厚度。此外，大量的仿真實驗數(shù)據(jù)表明，溝道越長雜質(zhì)分布越趨于平坦，閾值電壓越容易控制。為獲得穩(wěn)定的閾值電壓，生產(chǎn)中需優(yōu)化P阱的摻雜及退火工藝。

圖4 不同柵氧厚度下轉(zhuǎn)移特性曲線