（电气工程专业论文）npt型igbt电气模型及参数提取.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eh i g h e ra n d h i g h e rr e q u i r e m e n to ne l e c t r i c a lc o n v e r s i o na n dp r o c e s sf o r b o t hc i v i la n dm i l i t a r yu s e ，s a v i n ge n e r g ya n de x p l o i t i n gn e we n e r g ys o u r c e s ，t h e s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，c o r e di ne l e c t r i ct r a n s f o r mf a c i l i t i e s ，p l a y sam o r ei m p o r t a n t r o l e t h ep o w e ri n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( i g b t ) ，c o m b i n i n gt h e a d v a n t a g e s o fe a s yd r i v eo fm o s f e ta n dh i g hc u r r e n td e n s i t yo fp o w e rb j ta n dt a k i n go na g o o dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ，i st h ec o n t r o l l a b l e p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e g e n e r a l l ya p p l i e di nt h ec u r r e n td o m e s t i ci n d u s t r y t h ei g b tm o d e l ，a sa ni m p o r t a n ta s s i s t a n c ef o rt h ed e v i c ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n ，h a sb e e nah o tr e s e a r c ho b je c t t h ep r e c i s ei g b tm o d e lc a np r e d i c tt h e s t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n te l e c t r i c a lb e h a v i o ro fi g b t , s ot h a ti tc a ns a v et h ee l e c t r i c a l e n g i n e e r sp l e n t yo ft i m ea n dc o s t h e n c e ，i ti so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c h i n t om o d e l i n gi g b t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h en p ti g b t , a n da n a l y s e st h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h i sk i n do fi g b t b a s e do nt h es e m i c o n d u c t o r p h y s i c s ，t h ep a p e rp r o v i d e sad e t a i l e d t h e o r e t i c a ld e d u c e p r o c e d u r ef o rt h es t e a d y - s t a t ea n dt u r n o f ft r a n s i e n tm o d e l s p r e s e n t e db yh e f n e r a c c o r d i n gt ot h et u m o f ft r a n s i e n tp h y s i c a lm e c h a n i c so fi g b t , t h et r a n s i e n tm o d e lf o r e m e n t i o n e di sm a d es o m em o d i f i c a t i o n t h ep a r a m e t e re x t r a c t i o n p r o c e d u r ep r o v i d e df o ri g b tm o d e l ，p r o p o s e db y h e f n e r , i ss oc o m p l e xt h a ti ti sn o tp r a c t i c a lf o rt h ee l e c t r i c a le n g i n e e r s t h i sp a p e r a d o p t sas i m p l i f i e de x t r a c t i o nm e t h o do ft h a tp r o p o s e db yh e f n e rf o rt h ep a r a m e t e r t h l ，a n ds o m ee m p i r i c a le q u a t i o n sa n dt h ed a t a s h e e t sp r o v i d e d b yt h ed e v i c e m a n u f a c t u r e r st oe x t r a c tm o s to fo t h e rp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tv e r i f i e st h a tt h ei g b tm o d e li sa c c u r a t e ，w h i c hc a n p r e d i c tt h es t e a d y s t a t ea n dt h et u m - o f ft r a n s i e n tb e h a v i o r so fi g b t k e yw o r d s ：n p t ，i g b t , p a r a m e t r i ce x t r a c t i o n ，m o d e l ，h e f n e r 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字吼叫年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸江盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作者签名：芳亍 刷隧名： 勿柳 签字嗍呷年厂月7 日 签字吼加厂年月7 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在论文即将完稿之际，回想在求是园里度过的几个春秋，我心潮起伏，久久 不能平息。在将要离开校园之际，我的心中充满了留恋和感激。 首先我要感谢我的导师马伟明教授，在研究所的近两年时间来，马老师在学 业上给予我悉心的指导，在生活中给予了细致的关怀。我的每一点进步都和马老 师的辛勤工作分不开。马老师渊博的学识，严谨的学风，勤勉的敬业精神给我树 立了学习的榜样。这些都是我日后从事实际工作永远受益不尽的财富。如果说学 业中的指导是有限的，马老师的人格魅力对我的感染和影响则是一生的，从马老 师身上我学到了许多做人与做事的道理，在这里我向马老师鞠躬致谢。 感谢徐德鸿教授在求是园期间给予的学习指导和教诲。感谢孙驰老师在 i g b t 测试电路的设计以及i g b t 建模方面给予的建议和帮助。感谢管理办公室 的王潜老师在生活上给予的关心。感谢采购管理办的彭均老师在器件采购方面给 予的建议和支持。感谢蒋云昊博士在学习中给予的建议和帮助。特别感谢唐勇博 士，在我们一起度过的近两年的时光里，共同探讨半导体物理学的理论知识，研 究i g b t 工作机理，展开h e f n e ri g b t 模型的理论推导工作。我们曾一起经历过 器件爆炸后的沮丧，也共同分享过成功后的欢乐；曾一起经历过那段艰辛的“过 剩载流子寿命参数提取实验”之旅，也共同分享过参数提取成功后的喜悦。 最后，要感谢亲爱的妈妈和姐姐对我的支持，特别是在爸爸不幸去世以后， 你们为我做出的牺牲我永远难忘，你们是我永远的支柱。 在即将结束十多年来的学校生活之际，我衷心地感谢所有曾经帮助过我的人 们。 李平 2 0 0 8 年1 1 月于武汉 浙江大学颀 ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了i g b t 的问世和发展现状、结构特征、工作机理和其所具有 的优势。其次分析i g b t 建模的关键性问题，并对目前现存的各种各样的i g b t 模型做了一个归类且进行了比较分析，最后叙述了本文的研究内容及意义。 1 1 前言 自从2 0 世纪8 0 年代绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 问世以来，其逐渐取代 了功率晶体管( p o w e rb j t ) 、晶闸管( g t o ) 和功率m o s f e t ，在中频、中功 率电力电子电路中得到广泛应用。随着i g b t 的电压、电流等级不断提高，其应 用范围已经延伸到大功率的电力电子电路。目前，电压等级达6 5 k v ，电流等级 达3 6 0 0 a 和频率达1 5 0 k h z 的i g b t 分别已有报道【l 】。a b b 公司已宣称成功研制 出电压等级达8 k v 的i g b t f 2 1 。e q u a t i o ns e c t i o n1 i g b t 克服了功率m o s f e t 高通态损耗的特性，同时保持了其门极驱动简单 的特性。i g b t 器件的开通和关断正如m o s f e t 一样由门极电压所控制，而其输 出电流特性却类似功率晶体管，因此称其为“绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) ”。 一i g b t p o w e r b j t - m o s f e t 电压o t ) 图1 1耐压6 0 0 v 的i g b t 、功率b j t 和功率m o s f e t 的通态电流密度关 于通态电压的比较图 i g b t 器件集合了m o s f e t 输入阻抗大，驱动简单和功率晶体管高电流密度的优 点。m o s f e t 具有快的开关速度，但电流密度小；功率晶体管具有电流密度大 的优势，但是驱动电流大，导致器件工作损耗大。然而，i g b t 的电流密度是功 3 2 2 2 i l l 电流密度触a 浙江大学硕 ：学位论文 第一章绪论 率晶体管的5 倍，功率m o s f e t 的2 0 倍6 1 ，如图1 1 所示。i g b t 的劣势是其在 关断暂态期间存在一个较长的拖尾电流，使得其开关速度比功率m o s f e t 慢。 1 2n p t 型i g b t 的结构特征和工作机理 1 2 1n p t 型i g b t 的结构特征 常用的i g b t 有n p t 型( 非穿通型) 和p t 型( 穿通型) 两种，两者结构上 的区别如图1 2 所示，p t 型i g b t 多了一个重掺杂的缓冲层。与m o s f e t 相比， i g b t 的主要劣势是其在关断暂态期间存在一个较长的拖尾电流，这使得关断损 耗相对地增加。因此，在n p t 型i g b t 的基础上加了一层重掺杂的缓冲层形成 了p t 型i g b t ，以此减小i g b t 基区过剩载流子的寿命，即减小关断电流的拖尾 时间，从而降低了关断损耗。但是，p t 型i g b t 相对n p t 型而言，其通态压降 却相对增加。因为n p t 型i g b t 在目前工业应用领域中得到广泛而成熟的使用， 所以本文以其作为研究对象，它的结构特征的详细描述如下所述。 p $ 1 0 2 绝缘层i g b t 阴极 i g b t 门板 一) 囫 ) p + 衬底 ( i g b t 阳极 i g b i 刚擞 图1 2n p t 型与p t 型i g b t 的结构区别 如图1 3 所示，虚线框内为n p t 型i g b t 芯片内的一个元胞的结构原理图。 一个i g b t 芯片由数千个这样的元胞并联而成，如图1 4 所示，虚线框为其中的 一个元胞。p 型重掺杂衬底相当于i g b t 内晶体管的发射区。n 型轻掺杂外延层 相当于晶体管的基区( 也是m o s f e t 的漏区) ，此基区是轻掺杂浓度的宽区域， 和一般小信号b j t 内的重掺杂窄基区不同，其在i g b t 处于正向阻断工作模式时 浙江大学硕= l 学位论文 第一章绪论 i g b t 元胞 广一一一一一一一一一一一一 图1 3n p t 型i g b t 芯片内一个元胞的原理结构图 f ， 、 、一， l n j f 。 弋 ) 厂一 1 r 7 一 厂 图1 4i g b t 内并联元胞的局部俯视图 3 1叫iij 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 能够承受外加高电压，且具有电导调制的作用，通过少数载流子大注入外延层来 降低i g b t 导通电阻。p 型重掺杂体区相当于晶体管的集电区，位于p 型体区上 方的两个n 型重掺杂区域相当于m o s f e t 的源区。图上标的i g b t 阳极、阴极 即一般文献上所指的i g b t 的集电极、发射极。i g b t 的等效电路模型如图1 5 所示，由一个m o s f e t 和一个p n p 型晶体管构成。 图1 5n p t 型i g b t 的等效电路图 1 2 2n p t 型i g b t 的工作机理 p ( w ) 晶体管 i g b t 内部载流子运动情况如图1 6 所示。当i g b t 门极所加的电压大于门 槛电压，即i g b t 开通时，电子从p + 型体区往门极方向运动，在门极下方的 p + 型体区上表面形成一个反型层，即m o s f e t 的n 型导电沟道( 见图1 3 ) ，为 电子从n + 型源区流向n 型基区提供通道。此时i g b t 若处于正偏工作状态( 即 i g b t 阳极阴极间电压c 为正) ，则其p n p 型晶体管的e b 结( 射基结) 正偏， 空穴从p + 型发射区注入1 1 型基区( 注入基区的空穴称为“过剩少子”) 。一部分过 剩少子空穴通过漂移和扩散运动穿过宽基区，而一部分为了维持基区的准电中性 平衡与过剩多子电子发生复合。由m o s f e t 沟道电流( 即基极电流) 提供的过 剩多子电子，其一部分通过漂移和扩散运动注入发射区，另一部分则与基区中的 过剩少子空穴发生复合。随着所加的虼c 电压的增加，注入基区的过剩少子空穴 浓度将会远超过基区的本地掺杂浓度，这就会产生所谓的电导调制效应，使得基 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 区电阻减小，i g b t 的通态压降也就随之减小。同时，i g b t 正偏工作时，b c 结 ( 基集结) 反偏，形成耗尽层( 即空间电荷区) 。在耗尽层内电场的作用下，进 入b c 结的空穴被扫入集电区形成集电极电流，其与基极电流共同形成i g b t 阳 极电流r 。i g b t 若处于反偏工作状态( 即i g b t 阳极阴极间电压玖c 为负) ，e b 结反偏，不会产生任何电流，i g b t 处于“反向阻断工作模式”。 当i g b t 门极所加的电压小于门槛电压所，即i g b t 关断时，m o s f e t 导电 沟道消失，基极电流也随之消失，导致i g b t 阳极电流瞬间减少。随着导电沟道 的消失，基极不再为基区中的空穴提供复合所需的新的电子。基区中剩下的过剩 多子电子通过复合和注入发射区缓慢衰减。为了维持基区的准电中性平衡，空穴 继续从发射区注入基区，一部分与过剩多子电子复合，一部分被扫入集电区。因 为过剩载流子的缓慢衰减，所以阳极电流也随之缓慢衰减，形成了所谓的“拖尾 电流”。 集电极电流1 c 人 r j i 移黝 一甘 黝 ；电场方向呀么夕和极电流- 军 2 天固，jr出出、 甘 | 童 ；f ； ：；： 长掣“! ： ：! ： 糍“； ；：； 舞i 羚 ：；： 矮j 薯“j ：! ：电j ： )禹口：! ： 一空梦 ， ：! ： ： 貘萎眭 ；：i ： 电 发 ， 戮| | |：。： ： ， ： 勿并钐爱射区南笙夭搓父墓医勿钐彩彰g 藩饕蕊 l 奎 ，- ， ， ，k s 圣心炼 区 lij ， 图1 6n p t 型i g b t 内部载流子运动原理图 区 层 健螺憾， 区 电 尽 中。聪区 射 一 一一一目 一 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 1 3i g b t 建模的关键点及模型的分类 任何功率器件都有一个轻掺杂浓度的宽区域( 也称“外延层”) ，是为了使器 件在正向阻断工作模式时能够承受外加的高压。如图1 7 所示，阴影部分分别为 三种功率器件i g b t 、功率二极管和功率晶体管的轻掺杂浓度的宽区域。以下主 要以i g b t 为对象详细阐述建模的关键点及模型的分类。 1 3 1i g b t 建模的关键点 i g b t 在导通时，宽基区( 即轻掺杂浓度的宽区域，如图1 7 ( a ) 中阴影部分 所示) 中存储了大量的过剩载流子，然而在i g b t 关断时又需要消耗掉这些过剩 载流子，这需要一定的时间，因此形成了所谓的“关断拖尾电流”。拖尾时间的长 短直接决定了开关损耗的大小。因此对于i g b t 的建模关键就在于是否能准确地 反映i g b t 的关断暂态电气行为，即通过何种方法有效且精确地求解双极扩散方 程得到关断暂态时宽基区过剩载流子关于时间和空间的动态浓度分布。在所有涉 及到i g b t 内部机理的物理方程中，一维双极扩散方程是其中最重要的一个，其 方程式如式( 1 1 ) 所示。 里：丝墼赴8 p ( ；x , o + 一1 坐血型 ( 1 - 1 ) a 0td8 t 、 其中，d 为双极扩散系数，三为双极扩散长度，8 p ( x ，1 为过剩载流子浓度。 从所阅读的文献来看，在宽基区内求解双极扩散方程的方法大致有两种：解析法 和数值法。 1 ) 方法一：解析法 基于一些假设和简化求得双极扩散方程的解析解，即8 p ( x ，r ) 的表达式， 如文献 2 7 采用傅里叶级数解法，文献 3 l 】采用l a p l a c e 变换法。又如 k r a u s 模型2 2 1 是用一个多项式来逼近关断暂态时基区过剩载流f f - - 7 - 浓度 对时间的变化率o ( s p ( x ，) ) o , ，再把其代入式( 1 1 ) ，经两次积分便可求 得8 p ( x ，) 的表达式； 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 s | o z 绝绦层i g b t 阴极 i g b t 门极 p 晶毒赫区 歹 i g b t 阳极 ( a ) 阳极 p + 节铧御一”胪黟”彬”研絮嗍缈彬秽锡碧，嬲妒唧p 锶 f 一 ； ，j ，jn 秘簪：层，一一 ：， “ i ， ， 1 | 。，j 麓一? j ，v i n + 阴极 ( b ) 、o 。n+ - 二， 、 巳! 擘爨零j | | 晶体管集电区 j) 图1 7( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为i g b t 、功率二极管、功率晶体管的结构原理图 7 浙江大学硕l 学位论文第一章绪论 2 ) 方法二：数值法 包括“有限差分法”，“有限元法”等，能够较准确地求出宽基区过剩载流 子浓度的分布，但计算量大，对计算机的运行速度有较高的要求，同时 还存在解的稳定性和收敛性问题。这种方法适合功率半导体器件设计者 用来分析器件内部的物理机理。 1 3 2i g b t 模型的分类 在许多有关i g b t 模型的文献中，只是粗略地把i g b t 模型分成行为模型和 解析模型两种，这不足以区分每一类模型。因此，为了能够更好地说明每一类模 型的具体特征，文献 18 】【2 0 】把i g b t 模型分成四大类：数学模型、半数学模型、 行为模型和半数值模型。 1 3 2 1 数学模型 此类模型完全基于i g b t 内部的半导体物理机理，因此也称为“物理模型”。 一般来说，模型的实现可分为四步【2 0 1 ：第一步，在一定的假设条件下( 包括载流 子大注入，准静态和非准静态等) 根据器件的物理行为提取相应的物理方程；第 二步，采用不同的数学简化方法求解这些物理方程，求得用于描述过剩载流子浓 度分布和器件电气行为的解析解；第三步，模型参数的提取；第四步，采用不同 结构的实验电路验证模型的正确性。 在早期的文献中，b a l i g a 5 1 。嗍首先提出了i g b t 关断暂态的简单模型，并认 为基区中电子和空穴的运动是相互独立的，不存在相互耦合关系。k u o 2 为了验 证i g b t 是p n p m o s f e t 结构，巧妙地连接分立元件p n p 和m o s f e t 作为 i g b t ，观察其和实际的i g b t 在阻性负载电路中的关断波形，从量上验证了i g b t 的p n p m o s f e t 结构。k u o 假设拖尾电流是与时间成指数关系衰减的，因此得 到其关于时间常数的解析式。此外，k u o 还给出了p t 型和n p t 型i g b t 的通态 压降表达式( 考虑了基区的电导调制效应) 。然而因为此模型未包含在暂态仿真 中起着关键作用的m o s f e t 部分，所以其不能用于电路仿真。 h e f n e r 模型【1 0 】- 【1 7 1 是迄今为止最全面且准确性较高的模型，很多现有的数学 模型都是在此基础上发展起来的，在i g b t 建模领域具有相当高的影响力。h e f n e r 首先提出了“非准静态近似理论”，不同与传统的“准静态近似理论”，认为在关断 暂态时基区的过剩载流子的浓度分布和稳态时是不同的。此模型已被移植到商业 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 软件p s p i c e 4 9 1 和s a b e r 中u o 。h e f n e r 还进一步发展了电热耦合模型【4 2 】【4 8 1 。在 h e f n e r 电热耦合模型的基础上，a i t i i n o u s 发展了一个带二维热模型的i g b t 电热 耦合模型【5 0 】。 k r a u s 2 3 1 【2 4 1 采用一个多项式来逼近动态过剩载流子浓度分布。s i g g 等在文献 2 5 中详述了k r a u sn p t - i g b t 电热耦合模型的参数提取。因为k r a u s 模型过于 复杂，很难在一般仿真软件中实现，所以仅仅在s a b e r 中得以实现。 l e t u r c q 2 7 1 。【3 0 1 提出了一种简化分析方法，保留了器件- 1 - 作时的非准静态特征， 尽可能地简化了一些二次效应，同时采用傅里叶级数法求解双极扩散方程。 s t r o l l o 3 1 】模型已被移植到p s p i c e 软件中。其采用l a p l a c e 变换法求解双 极扩散方程，由此得到的非准静态p n p b j t 模型，再结合短沟道m o s f e t 模型， 共同组成一个完整的i g b t 模型。此外，此模型一共有2 1 个参数需要提取，比 其它的数学模型要多很多，这在一定程度上增加了模型实现的复杂度和不可靠 性。 1 3 2 2 半数学模型 利用仿真软件( 如s a b e r 、p s p i c e ) 中现有的m o s f e t 和b j t 模型，再 加入i g b t 的一些特殊效应，如基区电导调制效应、载流子散射效应、大注入效 应、载流子倍增效应等。i g b t 内b j t 是宽基区的，而仿真软件中b j t 是窄基区 的，由于其结构不同，必然导致电气行为的不同，因此半数学模型在准确性上就 不如数学模型。 在文献 3 3 中，b j t 采用一个改进的e b e r s m o l l 模型，同时恒定值的电容用 来考虑非准静态效应。在文献 3 4 1 3 6 】中，一个对应开关暂态期间不同子时间段 的分段线性函数用来建模m o s f e t 门源电容c 刍和门漏电容白。 1 3 2 3 行为模型 也称为“经验模型”或者“功能模型”，其不考虑i g b t 内部物理机理，器件仅 被看作一个“黑盒子”，通过曲线拟合法或查表法来描述i g b t 的端口特性。此类 模型可以较好地描述i g b t 稳态特性，但不适合描述其暂态特性。p s p i c e 软件 中近些年增加的大部分宏观模型都属于这类模型。其一般被用于系统仿真，因为 系统仿真对仿真速度和简便性的要求多于模型的精确性。 文献 3 7 】采用电阻和电流源来描述i g b t 的输出特性，电阻、电流源和非线 9 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 性电容值可通过查表获得。文献 3 8 【3 9 】采用曲线拟合法建立i g b t 损耗模型， 用于预估i g b t 开关损耗和通态损耗。m o n t i 4 0 1 采用模糊逻辑法描述i g b t 电气 行为，其可以给出一个合理的结果但是精确度不够。j t h s u 采用h a m m e r s t e i n 模型建模i g b t 4 1 1 。h a m m e r s t e i n 模型结构包括一个非线性静态模块和一个线性 动态模块。 1 3 2 4 半数值模型 采用“有限元法”建模宽基区，而器件其它部分仍采用前面提到的“解析方 法”。因为对i g b t 宽基区建模是相当复杂和困难的，所以采用数值方法建模可 以正确地描述i g b t 暂态电气行为，但这是以牺牲计算速度和效率为代价。虽 然其已经在仿真软件s a b e r 中得到实现，但很难在一般的仿真软件中得以实现。 代表模型有g o e b e l 模型【2 6 1 。 1 3 2 5 结论 数学模型和半数值模型在描述i g b t 稳态和暂态电气行为的效果是最好的， 但是数学模型中存在诸多的未知参数，器件产家一般不会提供这些参数值，因此 需要设计一套能通过电气测量手段就能得到参数值的方法，这是相当复杂的，目 前世界仅有少数实验室可以准确提取这些参数1 3 1 ，另外，半数值模型对计算机的 运算速度有较高的要求，故有时不得不对模型进行简化，导致正确率的下降。 i g b t 内b j t 是宽基区的，而仿真软件中b j t 是窄基区的，结构的不同必然会导 致电气行为的不同，因此半数学模型在准确性上不如数学模型。“行为模型”仿真 速度快，具有一定的简洁性，但是不能很好地描述i g b t 暂态电气行为，缺乏模 型的通用性。 1 4 本文的研究内容及意义 1 4 1 本文研究的意义 i g b t 已经被广泛地应用在电力电子电路中。电路设计工程师在设计组装完 成一个电力电子装置之后，通常需花很长时间在电路调试上，而且在这过程中常 会发生i g b t 的损坏，又加之一般的中、高等级功率的i g b t 器件相当昂贵。这 不仅延长了产品的开发周期，而且增加开发成本、降低经济效益。一个精确的 i g b t 模型不仅可以用于研究i g b t 工作特性，而且也可以用于仿真其稳态、暂 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 态电气行为和整个电力电子电路的工作状态，计算器件工作时的稳态和暂态的功 率损耗。因此对于电路设计者而言，若能在设计电路之前用i g b t 模型先行仿真 分析，那么这会为设计者节约大量的开发产品的时间和成本；对于器件产家而言， 一个精确的i g b t 模型可以用于了解i g b t 内部的工作机理和改进器件结构。 此外，由精确的i g b t 电模型和i g b t 封装热模型共同构成的电热耦合模型 可用于i g b t 工作时的温度场、热应力和电应力的分析，还可用于可靠性和尽限 应用分析，避免常规电力电子装置( 系统) 设计中通常采用的大量降额使用而导 致浪费的现象。 h e f n e r 模型既然是现有模型中最全面和最精确的，许多现有的模型都是在其 基础上建立起来的，因此对其进行研究具有实际意义，且已被应用在商业电路仿 真软件s a b e r 中。 因为各种型号n p t 型i g b t 器件之间存在着很大的差异性，必然会使得其 所对应的i g b t 模型中的参数值的不同。若采用模型中设置的缺省的参数值来仿 真不同型号器件的电气行为，其结果肯定会与实际情况相差甚远。由h e f n e r 提 出的参数提取方法繁琐，实际操作难度大，且投入的实验成本高。因此很有必要 研究一套简便可行的模型参数提取方法。 1 4 2 本文的研究内容 本文主要工作有三点： 1 、在h e f n e r 模型的基础上进行了i g b t 稳态和关断暂态模型的理论推导工 作，并对其关断暂态模型做了一些改进； 2 ) 提出一套关于n p t 型i g b t 稳态和关断暂态模型参数提取的简便方法； 3 ) 采用m a t h c a d 数学软件计算出n p t 型i g b t 稳态和关断暂态模型的 电压、电流的理论曲线，再与实验的曲线进行比对，以此验证模型的正 确性。 浙江大学顾十学位论文第二章n p t 型i g b t 模型的理论推导 第二章n p t 型i g b t 模型的理论推导 本章根据半导体物理学的一些重要概念和理论，详细地描述了n p t 型i g b t 稳态模型和关断暂态模型的理论分析和公式推导。本文提出的n p t 型i g b t 模 型主要以h e f n e r 模型为基础，仅对其关断暂态模型做了修正。 2 1 双极输运理论 在半导体中电子和空穴的净流动将产生电流。我们把载流子的这种运动称为 输运。半导体晶体中存在两种基本输运机制：漂移运动，即由电场力作用下的载 流子运动；扩散运动，即由浓度梯度引起的载流子运动。载流子的净漂移形成漂 移电流，载流子的由浓度梯度产生的净流动形成扩散电流。半导体中会产生四种 类型电流，它们分别是电子漂移电流和电子扩散电流，空穴漂移电流和空穴扩散 电流。当半导体外加一定的电压，半导体的工作就处于非平衡状态，这时导带和 价带中会分别产生过剩的电子和空穴。半导体中过剩电子和空穴的运动并不是相 互独立的。它们的扩散、漂移和复合都具有相同的有效扩散系数、漂移迁移率和 寿命。这种现象称为“双极输运”。e q u a t i o ns e c t i o n2 i g b t 内晶体管的宽的基区和基区的轻掺杂浓度分别决定了晶体管的低增益 和在实际工作条件下注入基区的过剩多子空穴的浓度将远大于基区的掺杂浓度。 在这种大注入的情况下，基区中电子和空穴的运动将通过电场相互耦合在一起， 而不能如文献 7 】所述的那样进行解耦处理。因此，必须利用双极输运方程描述 基区的电子和空穴的输送运动，不能采用传统的经过解耦处理的双极输运方程。 电子和空穴的电流密度公式如下所示【3 1 ： 以：n q t t e + q d _ d n( 2 1 ) j p = p q l u p e g q 五a p ( 2 2 ) 其中，符号解释见表2 1 。式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 等号右边的第一项是漂移项，第二项是 扩散项。i g b t 的阳极电流密度与空间位置无关，等于电子和空穴的电流密度之 和，即： 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章n p t 型i g b t 模型的理论推导 j t = jn 七jp 由准电中性平衡可知，过剩多子电子和过剩少子空穴浓度相同，即有： 6 n = 6 p 假设基区处于载流子大注入状态，则有： 6 n n b 又因为基区中电子和空穴浓度表达式分别为： 刀= n b + 万刀 p = p o + 6 p 基区是n 型轻掺杂半导体，因而有： p o p o 。因此，式( 2 3 5 ) 可简化为： w m 丛掣芋型半= 竽亿3 6 ， a ( 2 2 5 ) 只, - jx 求导得： ( 2 3 7 ) 因为基区空穴浓度p = p d + 印，其中热平衡空穴浓度p o 为常数，故有孕：d d - p 。 a xa x 把式( 2 3 7 ) 代入式( 2 1 5 ) 得： “加耐1 i 。+ 竿鬻 以驴击+ 竿c 。t n ( 警) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) = 厶( o ) + ，口( o ) ：墼+ 地+ q p o a _ _ _ _ d dc o t h f ，堡 1 + bl ll 竺b 争2 + 竿c o t h ( 警) i 亿4 。， i i 三川 、7 再把上式代入式( 2 3 8 ) 得稳态基区空穴电流的表达式： 似，：吾降竿鼬( 警) 惮帮 1 8 兰 l h弋一曲 吲 一蓟 昂一三 对一 p 一函 万一掣 浙江火学硕士学位论文第二章n p t 型i g b t 模型的理论推导 ：墼+ q p o a d 6 门jl 因此很方便地就可以得到稳态基区电子电流的表达式： 厶( x ) = 一i p ( x ) ：墼+ q p o _ a o 门?l m 一帮 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 基极电触点( 即基极) 被定义在准中性基区靠近b c 结耗尽层的末端( 如图 1 6 所示) ，即x = w 处( 如图2 1 所示) ，此处过剩载流子的浓度为零。发射极电触 点( 即发射极) ，即i g b t 阳极，是物理存在的电气连接点。集电极电触点( 即 集电极) ，即i g b t 阴极，也是物理存在的电气连接点。因为i g b t 集电区是p 型重掺杂区，所以可以近似认为集电区电流就是由空穴电流所构成，并且在准中 性基区x = w 处的空穴电流近似等于集电极电流。因此可以很方便地得到集电极、 基极电流表达式： 州，c 啥等+ 竿 厶州吟争+ 竿 ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 2 2 2 发射极基极电势差( v e b ) 表达式 发射极基极电势差圪6 由两部分构成：e b 结的电势差和通过准中性基区的 压降。通过准中性基区的压降6 可由式( 2 4 5 ) 来表示。因此再结合式( 2 3 0 ) ，可 知圪6 的表达式如式( 2 4 6 ) 所示。 6 = 以。，一九 ( 2 4 5 ) 圪一= ( 一九可) + ( 唬掣一么。) ( 2 4 6 ) 1 9 兰 厂0、1n h m“五 + 一一 哎i m 一 一爿j 叫 、，一 一三一 ，一b m 一 掣 南 一 、一 肜一 ，l ht oc 浙江人学硕i ：学位论文 第二帝n p t 型i g b t 模型的理论推导 电子准费米电势梯度与电子电流、电子浓度有关【4 1 ，见式( 2 4 7 ) 。通过准中 d 吮( x )l ( x ) 一= 一一 出 q a , u , n ( x 1 ( 2 4 7 ) 性基区的压降司由式( 2 4 6 ) 在x 2 0 和x 2 wl 司进行积分，冉结合式( 2 2 5 ) 、( 2 4 1 ) 和( 2 4 7 ) 推得。具体推导过程如下： 在x o ，r v 区间内对式( 2 4 4 ) 进行积分运算： m x 边= r 一煮棚： 驴驴r 煮 ( 2 4 8 ) 再把式f 2 2 5 ) 、( 2 4 1 ) 、( 2 4 2 ) 和玎( x ) ：n 。+ 6 p ( x ) 代入上式得： 咖矿小警 争毕蜡肌。卜帮 ：r一-ir,j+aqdn(x)出 q a & n ( x ) = 了苁+ 罢f d h 刀c x ， ( + 丢 以彳g 玎咿。卢如玉“1 “卜。 一旦 一( + 去) 。彳q n e f f + 旦h l 盟 以 n ( o ) 2 0 剥 、 一) 形i 一如 一一 h 一旧丽 0 一m 似 一卯 d 一 一 4一l r 一 一 半一 争一 浙江人学硕士学位论文第二章n p t 型i g b t 模型的理论推导 + 旦1 n 且 p np o + n b 一旦1 n 尘盟 p n n b 其中，准中性基区有效电子浓度： n e f f 2 笔厅埘酬( 警) a r c t n h扣2 埘c 鲋( 酚蛐( 割 哪靶一l ) 蛐k f 旦2 l ) 由式( 2 2 9 ) 、( 2 3 0 ) 和( 2 3 6 ) 可得到： 吨= 了2 k t 山 把式( 2 4 3 ) 和( 2 4 4 ) 相加得到稳态阳极电流： ( 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) ( 2 5 1 ) k 专( + 丢) 譬+ 半( + * t h ( 剐异 亿5 2 ， 把上式等号右边项全都移到等号左边，即为关于凡的一元二次方程。 解得： p o = 等( + 丢) 碍+ 半( + * t h ( 等) 卜k = 。 亿5 3 ， 一彻细m ( 警) + 2 i m e l ( 2 5 4 ) 因此，最终根据式( 2 4 6 ) 、( 2 4 9 ) 和( 2 5 1 ) 可以推导出发射极基极电势差圪6 的表 达式如下所示： 耻纠舟蘸爿d n 百p o + n a ( 2 5 5 ) 2 2 3 稳态i v 特性关系 见图1 5 ，由基尔霍夫电压定律知，i g b t 阳极阴极电压玖c 由两部分构成： 2 1 一 带 耘一、 = 浙江人学硕上学位论文第二章n p t 型i g b t 模型的理论推导 发射极基极电势差l i e 6 和m o s f e t 沟道电压，即r ( 2 5 6 ) 。 吮c = 吃+ 吃 ( 2 5 6 ) i g b t 的稳态包括三种工作状态，它们分别是通态、饱和态和截止态。当i g b t 处于截止态时，无论外加电压为何值，流过阳极的电流都是非常小的，一般是p a 级，可以忽略不计，即描述i g b t 截止态的模型可以简单地表示为拓，( v a c ) = o 。 因此本文仅对通态和饱和态下i g b t 的i v 特性关系进行理论分析和关系式推 导。 2 2 3 1i g b t 工作在通态时的i v 特性关系 当i g b t 工作在通态时，m o s f e t 工作在线性电阻区。m o s f e t 沟道电阻【9 】： 如。2 丽1 ( 2 5 7 ) 则此时的m o s f e t 沟道电压为： = l 。如。2 南 ( 2 5 8 ) 其中，m o s f e t 沟道电流等于准中性基区电子电流在x = w 处的值( 即基极电流) ， 即l = 厶。把( 2 4 4 ) 代a r ( 2 5 8 ) 得： 吃= 去- f 争+ q p o a d c o t h ( 等) 一南 ( 2 5 9 ) 因此，把式( 2 5 5 ) 和( 2 5 9 ) 代入式( 2 5 6 ) 可得i g b t 工作在通态时的i g b t 阳极阴 极电压c 与i g b t 稳态阳极电流风之间的关系式( 2 6 0 ) 。限于篇幅，这里未把 p o 代入。见式( 2 2 8 ) ，在通态时，可以认为。为零，则w 为一恒定值，k ( 2 2 8 ) 简化为：形2 一雩孝。因此由式( 2 5 4 ) 可知参数凡只与稳态阳极电流 有关，进而可知式( 2 6 0 ) 也是关于稳态阳极电流的函数。 浙江犬学硕七学位论文 第二章 n p t 型i g b t 模型的理论推导 嘣k 陟卜 + b 卧陌i t s s w 墼+ q p o a d 报jl 一旦l n 业 “n n b ( 譬) 一南j ( 2 6 0 ) 2 2 3 2i g b t 工作在饱和状态时的i v 特性关系 当i g b t 工作在饱和状态时，m o s f e t 也工作于饱和区。在一般工况下，相 对v a c 而言，圪6 值很小，因此可假设v b 声v a c ，式( 2 。2 8 ) 变为式( 2 6 1 ) 。m o s f e t 饱和电流的公式【9 】如式( 2 6 2 ) 所示。 嗍一产铲 焉= 等( 吲2 ( 2 6 1 ) ( 2 6 2 ) 由式( 2 4 4 ) 也可以解得p o 的表达式，见式( 2 6 3 ) 。其中，w 是c 的函数，因而 可知尸。是关于阳极阴极电压玖c 和基极电流厶的函数。 e o ( v c ，厶) = q a m , 2 、c o t h ( 警) 一南， + q a d 哇 、c o t h ( 警 一南， + 4 匕r 砰，6 而b 1 2 i 。l 又因为基极电流i b = 焉，故把式( 2 6 2 ) 代入上式得： 只( ，名) = ( 2 6 3 ) 叫研 、咐南