目前所有的IGBT器件均包含寄生晶闸管结构,因为在大电流工作条件下,寄生晶闸管结构会被触发形成闩锁,从而导致IGBT器件产生破坏性失效,所以以下介绍一下IGBT如何抑制寄生晶闸管导通的方式。
寄生晶闸管
下图是IGBT器件的几个,图中示意了寄生晶闸管结构,由P+集电极、N-漂移区、Pwell、N+发射极构成,其等效电路如右图所示。电路由NPN管和PNP管结合并形成正反馈回路。一旦寄生晶闸管进入到闩锁触发状态,电流将会不断地被正反馈回路放大,并最终导致器件无法栅控关断而失效。

尽管IGBT器件结构中,发射极金属覆盖J3结,即短接N+发射极和Pwell,但是只要位于N+发射极下方的Pwell区电阻足够大,寄生NPN管仍可能开启导通。这个寄生电阻即为等效电路中的Rs电阻。如果这个电阻足够小,那么就可以防止这个寄生NPN型晶体管开启,继而抑制了寄生晶闸管的开启。
寄生晶闸管的抑制
一旦器件内部的寄生晶闸管进入闩锁触发状态,器件将会失去栅控关断能力。同时器件进入负阻区,即I-V特性出现回滞现象,器件电流出现较大的跳跃,但是器件的导通压降是降低的,使得器件出现破坏性失效。所以,在任何工作条件下,都要防止器件进入闩锁状态。一般而言,闩锁触发电流密度JC,L应该为器件正常工作时开态电流密度JC,ON的十倍,确保器件有较大的安全工作范围。
当器件进入闩锁触发状态时,IGBT内部由NPN晶体管和PNP晶体管耦合形成的晶闸管增益一定是大于1的。因此,可以通过减小NPN晶体管或PNP晶体管的增益来抑制器件产生闩锁的概率。但是寄生PNP晶体管的基区很宽,减小这个增益反而会造成整个IGBT器件的导通压降。因此,更好的办法是通过减小IGBT结构内NPN晶体管的增益。这个思路对闩锁抑制有很大的影响。

1、深P+扩散
抑制IGBT结构内寄生晶闸管开启的方法是减小N+发射极下方Pwell电阻。可通过引入一个深P+扩散,以减小Pwell区的电阻,而不影响沟道区域的杂质浓度。
空穴电流Ip流经轻掺杂Pwell区电阻RB1和深P+区电阻RB2,RB1和RB2可以表示为:

式中,ρp和ρsp分别是Pwell的电阻和方块电阻,ρp+和ρsp+分别是深P+扩散区的电阻和方块电阻,Z是IGBT元胞宽度。
当发射极-基极电势超过结内建电势(Si基器件为0.7V),发射极开始注入电子,NPN晶体管开始活跃起来。因此,当由空穴电流在Pwell产生的电压降等于PN结的内建电势时寄生晶闸管产生闩锁:
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上述方程的空穴电流可以通过将空穴电流密度和元胞面积相乘Wcell*Z来计算。导通时,器件的空穴电流表示为:
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式中,αpnp,on为高注入条件下的PNP晶体管的共基极电流增益。
对于具有缓冲层结构的IGBT而言,其电流增益由IGBT的集电极/缓冲层结J1的注入效率和基区输运系数决定:
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导通时,电流增益的典型值为0.5,综上可以得到闩锁电流密度为:

所以,超过P+区的N+发射区长度Lp决定了器件的闩锁电流密度。因此,可以把Lp做到更小的尺寸,器件的闩锁电流密度可以更大。但是闩锁电流密度会随着温度的增加而减小,这是因为晶体管电流增益和Pwell区电阻会增加、内建电势会减小。
而P+区的横向扩散可以延伸直到它的掺杂浓度与峰值Pwell的掺杂浓度接近,这比垂直方向上P+区域的结深要长。同时可以将横向扩散至P区域内的N+发射极长度Lp做到尽可能小,以达到更大的闩锁电流密度。但是这会造成器件结温升高,导致电流增益和Pwell电阻增大,内建电势降低,闩锁电流密度随温度升高而降低。

2、减小栅氧层厚度
除了提高Pwell区掺杂浓度,降低了此区域的电阻,但是如果在栅氧层厚度固定时,提高Pwell区域的掺杂浓度会使器件的阈值电压增加。因此,需要针对性的减小栅氧厚度,而且,减小栅氧厚度为减少IGBT的导通压降带来有利的变化。
前文:阈值电压详解里讲到了IGBT的阈值电压公式如下:
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tox为栅氧厚度,NA是Pwell区域掺杂浓度,QF是氧化层电荷密度,WF为栅极与Pwell之间的功函数。
保证器件阈值电压不变的情况下,通过减小栅氧厚度,可以使得Pwell区的掺杂浓度大幅增加。因载流子迁移率会随着掺杂浓度的增加而减小,所Pwell的方块电阻大小与其掺杂浓度不呈反比关系。
基于阈值电压近似表达式,器件阈值电压与栅氧厚度和Pwell掺杂浓度的平方根呈正线性关系,即器件栅氧厚度减小一半,Pwell掺杂浓度可以增加4倍。而器件阈值电压保持不变。这样的结果可以使得闩锁电流增加为原来的4倍。但是,实际上因掺杂浓度的增大导致载流子迁移率减小,闩锁电流密度的提升并没有预期的提升。

3、空穴电流分流结构
当空穴电流流过Pwell区,使得Pwell/N+结正偏,导致寄生NPN晶体管开启,进而导致IGBT器件发生闩锁。因此,可以对流经Pwell的空穴电流进行分流并远离N+发射极区域,以提高闩锁电流密度。这可以通过在沟道附近增加一个分流区域来转移晶体管电流。具有空穴电流分流结构的IGBT器件如下图所示。

此结构中的Pwell、N+发射极和P+分流区通过同一层金属相连,这就允许在器件顶部使用单一的大区域金属电极,消除了采用细线型发射极金属金属。
在假设流经P+分流区的电流IP2是和P+分流区长度与元胞长度呈比例关系,具有P+分流区结构闩锁电流密度可以表示为:

通过引入P+分流区,可以显著提高闩锁电流密度,而且还会使得器件导通压降增加,这主要是因为流经寄生NPN晶体管的基极电流减小了,其限制了沟道电流,减少了从沟道流出后的电流通路面积。正因为此,需要将P+分流区的结深维持在较浅的结深是非常关键的。
4、器件元胞结构
这个篇幅在功率器件的元胞布局介绍这里有所介绍,后续再单独开一篇进行详细描述器件元胞形状的区别。
总结
目前,随着各项技术方面的创新以及新结构的引入,使得目前IGBT具有了较强的抗闩锁能力,闩锁缺陷的控制目前来说并不是一个非常困难的问题题。
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