在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電器控制等眾多工業(yè)領(lǐng)域中，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）憑借其低開關(guān)損耗的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。然而，IGBT 在短路時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)短路振蕩（SCOs）現(xiàn)象，這會(huì)大幅降低其抗短路能力。若振蕩幅度過大且短路振蕩的 VCE 電壓范圍過寬，還可能引發(fā)電磁干擾（EMI）危害。因此，深入研究并優(yōu)化 IGBT 在短路條件下的 SCOs 顯得尤為重要。

一般來說，IGBT 元胞的設(shè)計(jì)對 SCOs 的影響相對較小，而不同的背面 FS 層和 P + 發(fā)射極設(shè)計(jì)會(huì)改變 IGBT 的 pnp 晶體管的雙極電流增益系數(shù) αpnp，對 IGBT 的 SCOs 影響較為顯著，可通過優(yōu)化背面設(shè)計(jì)來避免 SCOs 的發(fā)生。

假設(shè)器件的結(jié)溫（TJ）保持恒定，所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為 VGE。在 VGE = 15V、TJ = 301K 的條件下，1200V IGBT 的輸出特性曲線如圖 1 所示。當(dāng)輸出曲線 VCE = 300V 和 500V 時(shí)，IGBT cell 部分區(qū)域（10um - 110um）的電場強(qiáng)度和載流子密度的垂直分布情況如圖 2 所示。圖中包含準(zhǔn)等離子體區(qū)、空間電荷區(qū)和等離子體區(qū)三個(gè)特征區(qū)域。FS 區(qū)域內(nèi)存在的高電場強(qiáng)度是由于漂移區(qū)存在負(fù)效電荷導(dǎo)致，在當(dāng)前分析中暫時(shí)無需考慮。

圖 1 VGE = 15V，TJ = 301K 下，1200V IGBT 的輸出特性曲線（VCE = 300 V (紅色)，VCE = 500 V (黑色)）

圖 2 VCE = 300V (紅色)，VCE = 500V (黑色) 時(shí)，圖 1 中輸出特性曲線中電場強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布示意圖

利用 TCAD 對圖 3 所示的電路進(jìn)行 SCOs 工況仿真，結(jié)果如圖 4 所示。從圖 4 標(biāo)注的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)的垂直電荷載流子密度分布（圖 5）可以看出，在 t1 到 t3 之間，電子和空穴基本上存儲(chǔ)于器件內(nèi)部。在 t2 到 t3 之間，電荷 - 載流子 - 等離子體浪涌逐漸形成并向前推進(jìn)，大約在 t5 時(shí)刻到達(dá) FS 區(qū)域，浪涌處會(huì)釋放出電子和空穴。這種在器件內(nèi)部周期性存儲(chǔ)和釋放電荷載流子以及電場強(qiáng)度分布的周期性變化，正是高頻短路振蕩發(fā)生的根本原因。

圖 3 IGBT 瞬態(tài)短路 TCAD 仿真電路
圖 4 TJ = 301K，RG = 0Ω，Lσ = LG = LE = 0H，VGE = 15V 時(shí)，VDC 分別為 300V 和 500V 下的集電極電流的瞬態(tài)仿真示意圖（紅色為 300V，黑色為 500V）

圖 5 所示放大區(qū)域中不同時(shí)刻電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況及相應(yīng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布（灰色）

從輸出特性來看，溝道電流 ICH 通常在相對較低的 VCE 時(shí)達(dá)到飽和，而空穴電流則從低 VCE 到高 VCE 逐漸增加。這是因?yàn)榧姌O側(cè)高場區(qū)域的擴(kuò)展隨 VCE 增大而增大，導(dǎo)致 p 型發(fā)射極前方的等離子體區(qū)域變小且等離子體梯度增大。因此，集電極處注入的空穴電流 IC,pnp 和 αpnp 增加。沿著輸出特性曲線，SCOs 從較低的 VCE 開始出現(xiàn)，并隨著 VCE 和 αpnp 的增加而終消失。αpnp 可以用公式 αpnp = (IC - ICH) / IC = IC,pnp / IC 計(jì)算。

下面進(jìn)一步分析不同因素對 SCOs 的影響：

• p 型發(fā)射極劑量的影響：當(dāng) VG = 15V 且 TJ = 301K 時(shí)，不同 p 型發(fā)射極劑量的輸出特性如圖 6 所示。發(fā)射極劑量對空穴注入和 αpnp 的影響在 VCE = 250V 之前為顯著。圖 7 比較了 VCE = 200V 時(shí)漂移區(qū)的電場強(qiáng)度和電荷載流子密度的垂直分布。提高 p 型發(fā)射極劑量，p 型發(fā)射極前方剩余等離子體的范圍和水平增加；在 FS 前的漂移區(qū)中，電場強(qiáng)度略有增加，在 FS 區(qū)域中則略有降低。從圖 8 中 αpnp 和集電極電流 peak - to - peak 幅度的計(jì)算值可以看出，隨著 p 型發(fā)射極劑量和 αpnp 的增加，SCOs 發(fā)生的電壓范圍和振蕩幅度都會(huì)減小。
  

  

  
  圖 6 VGE = 15V 且 TJ = 301K 時(shí)的不同 P 型發(fā)射極劑量 dpem 的輸出特性（dpem1 (黑色)，2?dpem1 (藍(lán)色) 和 5?dpem1 (紅色)。
  15V 且 TJ = 301K 時(shí)，不同 p 型發(fā)射極劑量 dpem 電場強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況
  ![不同 p 型發(fā)射極劑量下的 peak - to - peak - 集電極幅值
  基于圖 6 計(jì)算得出的 αpnp，直流電壓為 50V 至 700V 范圍內(nèi)，不同 p 型發(fā)射極劑量 dpem 下的 peak - to - peak - 集電極幅值
• FS 層劑量的影響：當(dāng) VG = 15V 且 TJ = 301K 時(shí)，不同 FS 層劑量下的輸出特性如圖 9 所示。在 VCE > 50V 時(shí)，F(xiàn)S 層劑量對空穴注入以及對 αpnp 的影響顯著。圖 10 比較了 VCE = 200V 時(shí)漂移區(qū)的電場強(qiáng)度和電荷載流子密度的垂直分布。降低 FS 層的劑量，p 型發(fā)射極前方剩余等離子體的范圍減小。圖 11 給出了 αpnp 以及集電極電流的振蕩幅度。隨著 FS 層劑量的降低和 αpnp 的增加，SCOs 出現(xiàn)的 VDC 范圍向更低的電壓側(cè)移動(dòng)，同時(shí) SCOs 的 VDC 電壓范圍和集電極電流的振蕩幅度都在減小。
  

  

  
  圖 9 E = 15V 且 TJ = 301K 時(shí)不同 FS 層劑量 dfs 的輸出特性（dfs1 (黑色)，0.8?dfs1 (藍(lán)色) 和 0.6?dfs1 (紅色)）
  

  

  
  圖 10 VCE = 200 V，VGE = 15V 且 TJ = 301K 時(shí)，不同場截?cái)鄤┝?dfs 下電場強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況
  圖 11 基于圖 9 計(jì)算得出的 αpnp，VDC 電壓為 50V 至 700V 范圍內(nèi) VGE = 15V 且 TJ = 301K 時(shí)不同場截劑量 dfs 下的 peak - to - peak - 集電極幅值
• 結(jié)溫的影響：當(dāng) VGE = 15V 且 TJ 不同時(shí)，輸出特性如圖 12 所示。溫度的變化會(huì)同時(shí)影響空穴電流和溝道電流。圖 13 比較了 VCE = 200V 時(shí)漂移區(qū)電場強(qiáng)度和電荷載流子密度的垂直分布。p 型發(fā)射極前方剩余等離子體區(qū)域的范圍隨著結(jié)溫的升高而減小。從圖 14 可以看出，不僅 SCOs VDC 電壓的范圍及振幅隨 TJ 的變化降低，而且在較低 VCE 時(shí) αpnp 也會(huì)隨著 TJ 的變化而降低。這可能是由于隨著 TJ 的增加，電荷載流子遷移率降低所導(dǎo)致的。
  

  

  
  圖 12 VGE = 15V 時(shí)不同結(jié)溫 TJ 輸出特性（TJ = 240K (藍(lán)色)，TJ = 301K (黑色)，TJ = 450K (紅色)
  

  

  
  圖 13 VCE = 200V，VGE = 15V 下，不同結(jié)溫 TJ 下電場強(qiáng)度、電子（實(shí)線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況
  圖 14 基于圖 9 計(jì)算得出的 αpnp，VDC 電壓為 50V 至 700V 范圍內(nèi) VGE = 15V 情況下不同結(jié)溫 TJ 下的 peak - to - peak - 集電極幅值