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淺析IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)—Rds(on)

冬至子 ? 來源:橘子說IGBT ? 作者:orange ? 2023-11-29 15:09 ? 次閱讀

在推導(dǎo)MOS的IV特性時,我們通過建立了電阻R和電壓V之間的關(guān)系,從而消除歐姆定律中的電阻R,得到電流與電壓之間的關(guān)系,但這里所討論的電阻僅僅是溝道電阻。

對于IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)而言,其電阻不僅包括溝道電阻,還包括N-base區(qū)域的體電阻。

圖片

回顧圖片表達(dá)式如下,

圖片

MOS正常工作狀態(tài)下, 圖片,可以忽略上式右邊第二項(xiàng),于是溝道部分的電阻可表達(dá)為,

圖片

假設(shè)如圖所示,溝槽之間的MESA寬度為圖片,溝槽的寬度為圖片,那么對于周期性排布的MOS結(jié)構(gòu)來說,其方阻(電阻乘以面積,即圖片)為:

圖片

對于N-base區(qū)域的體電阻計(jì)算,可以做一個簡化的推導(dǎo),簡化條件為:

1.電子從MOS溝道注入后,積累在溝槽柵氧的外側(cè);

2.電子到達(dá)溝槽底部后再向下擴(kuò)散;

3.電子在N-base區(qū)域以45°角向背面擴(kuò)散;

4.擴(kuò)散路徑中各處電子濃度、遷移率相同,即N-base中具有相同的電阻率圖片

圖片

這里對這幾個簡化條件的合理性做一個說明:

1.因?yàn)镸OS工作過程中,柵極持續(xù)施加正電壓,因此靠近柵氧的半導(dǎo)體能帶被電子占有的概率更高,所以從源極注入的電子更傾向于在柵氧表面積累;

2.溝道底部距離溝槽底部之間的區(qū)域相較整個N-base區(qū)域而言,電阻占比很小,計(jì)算中可以忽略;

3.穩(wěn)態(tài)工作下,器件內(nèi)部處于電中性狀態(tài),因此內(nèi)部電場基本可以忽略,電流由擴(kuò)散電流主導(dǎo);

4.擴(kuò)散運(yùn)動的絕大部分電子分布在45°角的范圍內(nèi)。

根據(jù)電阻的表達(dá)式:圖片,其中L為電路路徑方向的長度,S為電流路徑的截面積。顯然,可以將體電阻劃分為A和B兩個區(qū)域,A區(qū)域?yàn)橐粋€等腰梯形,B區(qū)域?yàn)橐粋€長方形。

A區(qū)域的電阻對梯形積分即可計(jì)算得到,

圖片

B區(qū)域的電阻即長方形的面積,

圖片

所以,N-base總電阻即將圖片相加而得,

圖片

與溝道電阻的方阻計(jì)算相似,將圖片乘以面積圖片即可得到N-base的方阻,并將乘積整理成,

圖片

將溝道電阻與N-base電阻相加,即得到MOS的總電阻Rds(on)方阻,

圖片

至此,我們就基本完成了對IGBT中MOS結(jié)構(gòu)的靜態(tài)工作機(jī)理分析。

舉例,對于一個MOS,其相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如下,mesa寬度為4圖片,溝槽寬度為1.5圖片溝槽深度為3圖片,柵氧厚度為100圖片,溝道內(nèi)的電子遷移率圖片,N-base內(nèi)的電子遷移率圖片,假設(shè)在柵極施加電壓為10V的條件下,其N-base內(nèi)的電子濃度為1e16 圖片計(jì)算芯片厚度從10圖片增加到100圖片,溝道電阻在整體電阻中的占比。

圖片

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