现代功率模块及器件应用技术

文章摘要： 1）增强直接在n发射极下p＋井区的扩散浓度； 2）缩短n发射极的尺寸。 此外，通过调节pnp晶体管的电流放大倍数，使其空穴电流（npn晶体管的基极电流）被维持得尽可能小。当然，在这里需要兼顾开关特性、耐冲击性，以及通态特性，达到一个较好的折衷。后者也在某种程度上被pnp晶体管的设计所决定。 这一折衷方案在PT型和NPT型IGBT中有着不同的实现方式。 在PT型IGBT中，从p＋区到n－漂移区的空穴注入效率（发射极效率）很高，原因是它的衬底相对来说较厚。它的pnp电流放大系数只能通过调节基极传输系数（n－漂移区，n＋缓冲区）来降低。为此，n区的载流子寿命可以通过附

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    1）增强直接在n发射极下p＋井区的扩散浓度；

    2）缩短n发射极的尺寸。

    此外，通过调节pnp晶体管的电流放大倍数，使其空穴电流（npn晶体管的基极电流）被维持得尽可能小。当然，在这里需要兼顾开关特性、耐冲击性，以及通态特性，达到一个较好的折衷。后者也在某种程度上被pnp晶体管的设计所决定。

    这一折衷方案在PT型和NPT型IGBT中有着不同的实现方式。

    在PT型IGBT中，从p＋区到n－漂移区的空穴注入效率（发射极效率）很高，原因是它的衬底相对来说较厚。它的pnp电流放大系数只能通过调节基极传输系数（n－漂移区，n＋缓冲区）来降低。为此，n区的载流子寿命可以通过附加的再复合中心（例如，采用金元素扩散或电子辐射工艺）来降低。其空穴电流约占总电流的40％～45％。

    NPT型IGBT则与之不同，其集电极端的p发射极区是通过植入方式而形成的，明显地薄于PT型IGBT的衬底。因此，在生产硅片时，扩散浓度在材料上的分布可以很容易地被精确调节。这一极薄的p＋层保证了pnp晶体管的发射极效率较低（γE=0.5），以至于再也没有必要采用降低载流子寿命的方法来减小基极的传输系数。其空穴电流约占总电流的20％～25％。

    同PT型IGBT相比，NPT型IGBT的发射极效率较小，载流子寿命较长，且参数可以被更精确地控制。它的优点如下：

    1）正向导通电压具有正温度系数（并联时自动地静态均流）；

    2）关断时的拖尾电流较小，但部分情况下时间较长，在Tj=125℃时关断损耗较低，（在硬关断时）开关时间较短以及开关损耗较低；

图8

    3）开关时间与开关损耗（在Tj=125℃时）以及拖尾电流对温度的依赖性明显较低；

    4）在过载时对电流的限制作用较好，因而具有较高的过载能力。

    与PT型IGBT所采用的外延生长式衬底相比，目前作为NPT型IGBT基本材料的同质n－基片的生产更容易一些，前提是要具备处理极薄硅片的能力。

1.3 静态特性

    MOSFET和IGBT模块的输出特性如图7所示。第一象限显示模块可以承受高截止电压和关断大电流。对于第一象限的阻断特性来说，更为精确一点的定义应该是"阻断状态"（类似于晶闸管中的定义），但这一概念在晶体管中极少被用到。在下面，我们将使用正向截止状态或者（在不引起混淆的情况下）截止状态这个名称。

    通过控制极的作用，功率MOSFET和IGBT可以由正向截止状态（图7中的工作点OP1）转换至导通状态（OP2）。在导通状态下，器件可以通过负载电流。两种状态之间的主动区域（放大区）在开关过程中被越过。

    不同于理想开关，器件的正向截止电压与通态电流均为有限值。在正向截止状态下存在一个残余的漏电流（正向截止电流），它将在晶体管内引起截止损耗。在导通状态下，主电路端子之间存在着一个依赖于通态电流的残余压降，被称为通态压降，它将引起通态损耗。在静态导通状态下（不是在开关过程中）的最大通态损耗在输出特性中由表征通态损耗的双曲线给出。

    第三象限显示模块的反向特性，其条件是主电路端子之间被加上一个反向电压。这一区域的特性由晶体管本身的性能（反向截止型，反向导通型）及功率模块中的二极管特性（与晶体管串联或反向并联）所决定。

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