N+缓冲层对PT-IGBT通态压降影响的研究

摘要：N+缓冲层设计对PT-IGBT器件特性的影响至关重要。文中利用Silvaco软件对PT-IGBT的I-V特性进行仿真。提取相同电流密度下，不同N+缓冲层掺杂浓度PT-IGBT的通态压降，得到了通态压降随N+缓冲层掺杂浓度变化的曲线，该仿真结果与理论分析一致。对于PT-IGBI结构，N+缓冲层浓度及厚度存在最优值，只要合理的选取可以有效地降低通态压降。
关键词：Silvaco；PT-IGBT；N+缓冲层；通态压降；仿真

    IGBT因为拥有输入阻抗高、损耗低、开关速度快、通态压降低、通态电流大等优势而成为现今功率器件发展的主流产品。我国市场对IGBT的需求庞大，但国内还不能大规模生产自主设计的IGBT，大部分仍依靠进口，这是我国电力电子技术发展中面临的重大瓶颈之一，IGBT的研发设计工作对我国各项事业的发展有十分重大的战略意义。
    与NPT-IGBT(非穿通型IGBT)相比，PT-IGBT(穿通型IGBT)因具有更好的开关速度及更小的功率损耗而被广泛应用。PT-IGBT中N馁冲层的结构参数对其特性的影响至关重要，因此要对其进行优化设计。在进行N+缓冲层设计中，原则上是在保证正向转折电压的前提下选择合理的N+缓冲层的掺杂浓度和厚度，降低通态压降。文中使用Silvaco软件，在保证阻断电压的前提下，对不同N+缓冲层掺杂浓度的PT-IGBT的通态压降进行了仿真分析，对PT-IGBT缓冲层的优化设计
提供了有价值的参考。

1 PT-IGBT的结构与工作原理
1．1 PT-IGBT的结构
    IGBT是在VD-MOSFET结构基础上发展而来的器件，IGBT用P+层取代了VD-MOSFET漏极中的N+型掺杂区。PT-IGBT就是在阳极侧的P+区和N基区间加入一个N+区，如图1所示，加入的这个N+区称为N+缓冲层，缓冲层的作用是阻挡IGBT在正向阻断时耗尽层的扩展，使得PT-IGBT能够用较小的N基区宽度实现与NPT-IGBT相同的正向阻断能力，提高开关速度的同时保持了较低的通态压降。

1．2 PT-IGBT的工作原理
    当栅极电压大于阈值电压时，IGBT开始导通。在P基区表面形成导电MOS沟道，电子经MOS沟道注入N基区，同时推动了阳极P+的空穴注入。由于N基区宽度很大，大部分空穴在N基区中与从MOS沟道注入进来的电子复合。剩余的空穴从N基区扩散到J2结，由于J2结轻微反偏，空穴被电场捕获通过空间电荷区进入P基极。由于N基区为实现高阻断电压能力而采用了低掺杂浓度，所以中等电流密度下的空穴浓度甚至超过了N基区的掺杂浓度。因此，N基区处于大注入的状态，伴随着很强的电导调制效应。这使得IGBT通态下得以保持很好的低通态压降和高电流密度。

2 PT-IGBT的通态V-I特性
2．1 通态模型
    当栅极电压足够大时，IGBT中所包含的MOSFET结构工作在线性模式下，IGBT的通态特性类似于PIN二极管的通态特性。因此用于分析PT-IGBT通态特性的等效模型可简化为：一个PIN二极管串联一个工作在线性区域的MOSFET。较大的正向栅极电压促使导通状态下的IGBT结构在栅极下面形成堆积层，与N基区重叠。通态时的电子电流通过MOSFET的沟道到达堆积层，可以被视作是在向N基区注入。相应地，空穴从阳极P+区注入，在N基区内形成大注入。栅极下N基区内的电子和空穴浓度分布与PIN二极管相似。此时IGBT的等效电路如图2所示。

    本次仿真使用的PT-IGBT结构参数：

2．2 通态特性的仿真
    根据表1所示的结构参数。利用Silvaco软件对PT-IGBT进行仿真。为了分析该结构的通态特性，施加不同的栅极电压以扫描集电极电压。仿真结果如图3所示，该结构参数下IGBT的阈值电压约5 V左右，IGBT的开启电压约为0．8 V。通态压降随栅极电压的增加而减小，在较大的栅压下，通态特性与PIN二极管相似。

3 N+缓冲层对通态压降的影响
    PT-IGBT结构中N+缓冲层的设计原则是：N+缓冲层的宽度大于正向转折电压下空间电荷区在其中的展宽。因此，N+缓冲层的浓度越高，保证阻断特性所需要的宽度就越小，但N+缓冲层的浓度又影响着PT-IGBT的通态压降，下面仿真分析N+缓冲层的浓度对通态压降的影响。
    在其他参数不变的情况下，只改变N+缓冲层浓度，栅压为15 V，阳极电压从0 V逐渐增大到15 V，N+缓冲层浓度依次取1e16、1e17、5e17、1e18、5e18及1e19 cm-3，仿真IGBT的转移特性曲线，如图4所示。提取相同电流3e-6A下的通态压降，并绘制成曲线，如图5所示。从图5中我们可以观察到，N+缓冲层掺杂浓度超过5e17 cm-3时通态压降迅速增加。由此可见，在缓冲层保持很窄的情况下，虽然可以提高N+缓冲层的掺杂浓度，使得电场在缓冲层区内降到零。但N+缓冲层掺杂浓度的上限不可能不受限制，因为过高的掺杂浓度将使J1结注入效率降低，导致正向导通特性变坏。所以N缓冲层的最佳掺杂浓度和厚度分别在le16～1e17cm-1和10～15μm。

4 结论
    IGBT是结构复杂的集成功率器件，微小的结构参数变化都可能会给器件性能带来巨大影响。通过优化结构参数可以实现PT-IGBT在性能上的改进。在保证正向阻断电压的前提下选择合理的N+缓冲层的掺杂浓度和厚度。N+缓冲层的最佳掺杂浓度和厚度分别在1e16～1e17 cm-3和10～15 μm。文中针对缓冲层掺杂浓度的改变仿真分析了PT-IGBT的通态特性，探讨了缓冲层的优化问题，给PT-IGBT在缓冲层方面的优化设计提供了有价值的参考。