IGBT动态雪崩产生机制_IGBT动态雪崩的抑制方法

　　在动态关断过程中，器件内部所发生的由电流控制的受自由载流子浓度影响的碰撞电离现象。以pin二极管结构为例，如图1所示，反向恢复开始后，随着过剩载流子的逐渐被抽取，pn结附近将形成空间电荷区。当等离子层（plasma层，即整体电中性的过剩电子—空穴对堆积区）中的空穴向阳极侧（图1左侧）漂移经过空间电荷区时，n区耗尽层内的有效的空间正电荷密度Neff将增大，由Neff=ND（n区施主浓度）增至Neff=ND+p。其中，p为空穴浓度，在空间电荷区电场强度随反压增加不断增强而使空穴漂移速度趋向于饱和时，可近似认为它与反向恢复电流密度j成简单正比，即p=j/qvsat。取空穴饱和漂移速度vsat=1×1017cm/s，当j达到200A/cm2时，p=j/qvsat=1.6×1014cm3，而高压二极管n基区ND通常为1013cm3量级。此时p值不仅不可忽视，而且在Neff中占主导地位，使其值大大增加。由泊松方程dE/dx=qNeff/ε可知，pn结附近电场梯度会显著增加，在外加电压vR相同的情况下，动态下的电场峰值（具体值由j和vR的瞬时值决定）将比静态情况有显著增加，更加接近甚至达到临界击穿场强。所以，此时发生雪崩碰撞电离的电压临界值将不再由n掺杂决定。电场峰值一旦达到临界击穿场强，雪崩碰撞电离就会提前发生，这就形成了动态雪崩。在高压快恢复pin二极管、GTO、GCT、MCT和IGBT等双极型器件中，都有可能发生动态雪崩现象。

　　

　　按自由载流子浓度对碰撞电离影响程度的不同，划分了三种程度的动态雪崩。当反向恢复电流密度不是很大时，PN结发生动态雪崩，电场梯度增加，电场峰值增强，此时电场分布形状近似为图1所示的直线型，称之为一度动态雪崩。随着反向恢复电流密度进一步增大，由于电子和空穴的运动方向不同，在空间电荷区内，等离子层抽取空穴（浓度为p）及pn结附近碰撞电离所产生的空穴和电子（浓度分别为pav和nav）富集在不同位置上，空间电荷区电场分布形状随之改变。如图2所示，当反向电流密度为500A/cm2时电场为直线型分布，但当电流密度增大为1500A/cm2时，电场变为S型分布。随着S型分布效应增强，电场E（x）所围面积（即电压）将会减小，从伏安特性上讲此时二极管会进入负微分电阻区，称之为二度动态雪崩。

　　

　　IGBT中的动态雪崩，在基本原理上与pin二极管是一致的，但在具体说来，问题会更复杂些，这主要体现在以下几个方面。

　　1.IGBT关断时除了像二极管一样有一个反偏的PN结（在发射极侧，下图左侧，由p阱和n基区构成）之外，在集电极侧（下图右侧），还存在一个正偏的pn结（由背P区和N基区构成）。这一方面使得等离子层消失过程就受限于电子的抽取（后者又受限于正偏背pn结注入效率）;另一方面，由于背pn结有空穴的注入，可以抵消电子向右流动时在nn结附近形成的负空间电荷，所以能有效地抑制nn结处的电场抬头，就使得发生三度动态雪崩的可能性大为降低。从这个角度来说，IGBT的抗动态雪崩能力比起二极管来具有“先天”优势。尤其是没有下图中n缓冲层且n区更厚的NPT-IGBT，由于IGBT不存在nn结，电场也不会穿通至背p区，所以很难发生三度动态雪崩。

　　2.IGBT在关断过程的开始阶段，在MOS沟道未彻底关断之前（从vGE波形是否高于阈值电压可大致判断），会有电子从沟道注入到空间电荷区，对进入该区的空穴起到电荷补偿作用，可暂时抑制集电极侧pn结处的电场抬头和动态雪崩。但沟道一旦关断，在大电流和高压作用下，就会发生明显的动态雪崩现象。所以，发生动态雪崩的IGBT的关断波形通常表现为：电压先以正常的较大速率上升，但在发生动态雪崩后，由于过剩载流子抽取速度变慢，电压上升率会明显减弱。如图5（a）所示。按照这一思路，只要加大RG电阻，使沟道关断变慢，让导通的沟道一直等到集电极电流明显减小之后再关断，就可以有效抑制动态雪崩的发生，如下图（b）所示。不过，这要以增大关断损耗为代价。

　　

　　

　　3.综合1、2两点可知，IGBT通常在过流、高压和低栅电阻条件下才会发生显著的的动态雪崩。在厂商数据表（datasheet）所给定的额定电流、电压以及较大栅电阻条件下，一般是可以安全关断的，因此数据表会给出一个矩形的关断SOA。但正如本文引言部分所述，在高压领域的实际应用需求中，往往会对器件的坚固性有极端要求，因此实际器件坚固性的指标必须像图6那样大大超越数据表中的SOA［4］，才能具备市场竞争力。因此，研究IGBT的动态雪崩问题，往往要针对过流、低栅阻、大杂散电感（可诱生过压）、非箝位感性开关（UIS）（可产生高于额定电压的高压）和短路（高压及过流同时存在且维持数μs至10μs时间）等极端条件展开。

　　

　　4.由于器件内部的栅电阻在芯片内有分布效应，所以IGBT内部元胞的沟道是渐次关断的。在部分元胞沟道关断后，电子电流会向仍开通的元胞沟道挤压，在动态雪崩发生之前就已经会出现一定程度的电流集中，如图7（b）所示。按照前述的原理，在适当条件下，动态雪崩会在沟道关断后的元胞处首先发生并形成电流丝，这是因为这里没有电子流对过多的正空间电荷进行补偿。两类电流集中有可能同时出现，给问题带来了复杂性。像二极管一样，动态雪崩所形成的电流丝也会转移（图7（d）—（f））。只不过由于IGBT正面是周期性出现的p阱结构（无论平面型还是槽栅型），而不是二极管中那样是平行平面结，因此，电流丝的转移更像是“跳跃”，而不是像是pnp管热丝［］，也可以是npn管热丝。

　　背p区掺杂和体内寿命控制的横向不均匀同样会引起正面电流集中于特定部位。

　　

　　5.结终端处其实是有源区内结构周期性突然丧失、不均匀性最为突出的部位。而在关断过程中，结终端附近又往往是电场和载流子集中的区域，所产生的空穴电流会集中最外圈元胞（主结）处，这种密集的电流很难向体内移动，因而最终形成局域热击穿。

　　提高IGBT抗动态雪崩能力的措施

　　针对上述失效机理，可采用的提高IGBT抗动态雪崩能力的措施主要有：

　　（1）适当提高注入效率的背p区和n缓冲层/场中止层的优化设计。

　　（2）优化元胞结构设计，强化对n+源区的保护，尽量减小n+区下方的横向电阻，提高常温及高温条件下的闩锁电流阈值。

　　（3）采用优质衬底片和优良的加工设备，尽可能提高材料及工艺的均匀性。

　　（4）进行特殊和优化的结终端设计，以减小主结边缘处的载流子富集和电场集中。

　　（5）在有源区采用特殊设计和工艺，使有源区的静态击穿电压和动态雪崩钳位电压都低于非有源区（含结终端区和栅汇流条、栅焊盘区）的击穿电压。如图8所示。

　　

　　基于通过寿命控制优化快速扫出内部载流子的理念，新设计的3.3kVIGBT模块具有快速开关和快速恢复特性。在谐振DC/DC转换器模拟电路中，与传统高速模块比，初级端IGBT的损耗降低15%，次级端二极管的损耗降低47%。通过降低IGBT和二极管的损耗，新设计的模块将适用于双向和中频应用，例如DC/DC谐振转换器。这一设计概念也可用于6.5kVIGBT和其他电压级别器件。因此，可以考虑多种中频应用电路拓扑。另外，我们还在模拟电路中评估了SiC-JBS二极管。SiC-JBS表现出最低功耗，对未来10kHz以上的高频应用，会带来极大好处。不管怎么说，我们期待新设计概念适用于中频应用，在SiC-JBS出现在功率半导体市场前是一理想解决方案。

　　以上对高压IGBT的动态雪崩问题进行了概述，涉及IGBT动态雪崩的概念、复杂性、失效机理和应对措施等。这些概念的建立，对于设计制造出坚固性强的高压IGBT至关重要。为获得高性能产品，还需结合具体的坚固性指标，再结合与其他性能参数的折中关系，对问题进行深入细致的分析和仿真，进而提出合理的结构设计，并通过反复试验探索，才能取得最终的成功。