絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在電機驅動和電器控制等多種工業(yè)領域中廣泛應用。IGBT在具有更低的開關損耗的同時，還要同時具備一定的抗短路能力。短路時，如果發(fā)生短路振蕩（SCOs）現象，IGBT的抗短路能力會大幅下降。如果振蕩幅度過大且短路振蕩的VCE電壓范圍過寬，還可能帶來EMI危害。因此，優(yōu)化IGBT的短路條件下的SCOs是非常重要的。

一般而言，IGBT元胞的設計對SCOs的影響相對較小，不同的背面FS層和P+發(fā)射極設計會改變IGBT的pnp晶體管的雙極電流增益系數αpnp，對IGBT的SCOs影響較為明顯，可通過優(yōu)化背面設計避免SCOs發(fā)生。

如圖1，假設器件的TJ保持恒定，所需的柵極驅動電壓為VGE。圖1輸出曲線VCE=300V和500V時，IGBT cell部分區(qū)域（10um-110um)的電場強度和載流子密度的垂直分布情況如圖 2 所示。圖中包含三個特征區(qū)域：準等離子體區(qū)、空間電荷區(qū)和等離子體區(qū)。FS區(qū)域內存在的高電場強度是由于漂移區(qū)存在負效電荷導致，暫時無需考慮。

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，圖1中輸出特性曲線中電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布示意圖

用TCAD對圖3所示的電路進行SCOs工況仿真，結果如圖4所示。

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，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)

對上述短路振蕩的機制分析如下：

圖4標注的五個時間點的垂直電荷載流子密度分布如圖5所示。在 t1 到 t3 之間，電子和空穴基本上存儲于器件內部。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，大約在t5時刻到達FS區(qū)域。浪涌處會釋放出電子和空穴。這種在器件內部周期性存儲和釋放電荷載流子以及電場強度分布的周期性變化是高頻短路振蕩發(fā)生的根本原因。

圖5所示放大區(qū)域中不同時刻電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況及相應的準穩(wěn)態(tài)分布（灰色）

如圖1中的輸出特性所示，溝道電流 ICH 通常在相對較低的 VCE 時達到飽和?？昭娏鲃t從低 VCE 到高 VCE 逐漸增加。這種現象的解釋如下：集電極側高場區(qū)域的擴展隨 VCE 增大而增大。如圖2所示，這導致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，并隨著VCE和αpnp的增加而最終消失。αpnp可以用下式計算：

αpnp=(IC-ICH)/IC=IC,pnp/IC (1)

p 型發(fā)射極劑量的的影響

當VG =15V且TJ=301K 時，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之前最為顯著。圖7比較了VCE=200V 時漂移區(qū)的電場強度和電荷載流子密度的垂直分布。提高的 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最大水平增加；在 FS 前的漂移區(qū)中，電場強度略有增加，在 FS 區(qū)域中則略有降低。αpnp和集電極電流peak-to-peak幅度的計算值如圖 8 所示。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減小。

圖6 VGE=15V且TJ=301K 時的不同P型發(fā)射極劑量 dpem 的輸出特性(dpem1(黑色)2·dpem1(藍色)和 5·dpem1(紅色))

圖7 15V且TJ=301K 時，不同 p 型發(fā)射極劑量dpem電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況

圖8 基于圖6計算得出的αpnp，直流電壓為50V至700V范圍內，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VG =15V且TJ=301K 時，不同FS層劑量下的輸出特性如圖9所示。在 VCE>50V時，FS層劑量對空穴注入以及對 αpnp 的影響顯著。如圖10，比較了VCE=200V 時漂移區(qū)的電場強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10 中給出了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出現的VDC范圍向更低的電壓側移動，同時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 時不同FS層劑量dfs的輸出特性(dfs1(黑色),0.8·dfs1(藍色)和 0.6·dfs1(紅色))

圖10 VCE=200 V,VGE=15V且TJ=301K時，不同場截斷劑量dfs下電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況

圖11 基于圖9計算得出的αpnp,VDC 電壓為50V至700V范圍內VGE=15V且TJ=301K時不同場截劑量dfs下的peak-to-peak-集電極幅值

結溫的影響

當VGE=15V 且TJ不同時，輸出特性如圖 12 所示。溫度的變化會同時影響空穴電流和溝道電流。在圖13中，比較了 VCE=200V 時漂移區(qū)絕對電場強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)域的范圍隨著結溫的升高而減小。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αpnp也會隨著TJ的變化而降低（圖14）。這可能是由于隨著TJ的增加，電荷載流子遷移率的降低所導致的。

圖12 VGE=15V時不同結溫TJ輸出特性(TJ=240K(藍色),TJ=301K(黑色),TJ =450K(紅色)

圖13 VCE=200V,VGE=15V下，不同結溫 TJ下電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況

圖14 基于圖9計算得出的αpnp,VDC 電壓為50V至700V范圍內VGE=15V情況下不同結溫 TJ下的peak-to-peak-集電極幅值

結論：

電子和空穴密度的垂直分布揭示了SCOs是由IGBT內部電荷載流子的周期性存儲和釋放所引起的。通過背面設計措施（包括在短路運行條件下增加αpnp）可以降低SCOs的強度。當αpnp值足夠大時，可以完全避免SCOs現象，但隨之IGBT的漏電流、關斷損耗也會增加，熱短路穩(wěn)定性變差，因此需要考慮SCOs和其他參數的折中。對于較高的結溫，SCOs現象會減少。