上一章講到了IGBT的飽和電流,與MOS的飽和電流之間存在
的倍數關系,這使得IGBT飽和電流比MOS大很多。同時,增益
是隨BJT集電極和發射極之間的電壓(
)變化而變化的,因此飽和電流也會隨電壓(
)變化而變化。回顧“IGBT的若干PN結”一章中關于PNP增益的討論,
。這里我們簡化分析過程,假設注入效率
,即
。
的表達式為:

其中,
為非耗盡區寬度,
為雙極型載流子擴散長度。

顯然,隨著
的增長,耗盡區會擴展,相應非耗盡區寬度
會減小,
就會增大,IGBT的飽和電流也會隨之增大。回顧“IGBT的若干PN結”一章中關于PN結的討論,耗盡區寬度與外加電壓
的關系如下:

因為p-base濃度遠高于n-drift區域的濃度,因此耗盡區將主要集中于n-drift區域。忽略分子括號中的
,假設芯片厚度為
,并將
替換成
,那么就可以得到
與
之間的關系如下:

將
代入飽和電流的表達式,如下:

之所以要整理這個表達式,原因在于電阻是電壓與電流之比,所以必須找到增益
與電壓
之間的關系,利用非耗盡區寬度可以建立起兩者之間的聯系。根據上述表達式,并假設IGBT飽和之后的電阻為
,那么

將
表達式帶入上式,就可得到IGBT電阻
與電壓
之間的關系,如下:

該表達式略顯繁瑣,但推導過程并不難,感興趣的讀者可以嘗試自行推導一下。下面我們看一個實際案例,了解IGBT飽和電流之后的增益、體電阻隨電壓
的變化趨勢。
舉例:假設IGBT芯片厚度120μm,元胞周期5μm,溝道深度3μm,柵氧厚度120nm,溝道載流子壽命10微秒,溝道電子遷移率
,閾值電壓為5V,柵極施加電壓為15V。計算非耗盡區寬度、增益以及體電阻隨
的變化趨勢如下面三個圖所示。可以看出來,隨著
從50V升高至500V,非耗盡區寬度從約90
減小到近30
,相應的BJT增益從約0.15增大至超過0.7,電阻也減小了近10倍。所以,對于MOS器件來說,IGBT飽和電流隨
的變化要比MOS器件更明顯。
需要注意的是,隨著
電壓的增加,MOS溝道兩端所承受的電壓也會增加,回顧“IGBT中的MOS結構”一章,這會導致溝道縮短,這也會進一步地導致飽和電流值增大。



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