在前面關于PIN&MOS模型分析中,特別強調了這個模型所存在的一個短板,即所有電流都通過MOS溝道,實際上只有電子電流通過MOS溝道,而空穴電流則通過p-base。
以MOS驅動的PNP晶體管(BJT)模型則可以對這個問題進行修正,更準確地分析IGBT工作機理。
如圖所示,回顧前面章節中關于PNP和MOS結構的討論,想象將IGBT切分成MOS和PNP晶體管,那么MOS的源極與PNP的集電極相連接,MOS的漏極與PNP的基極相連。
與獨立的MOS和PNP結構不同之處在于,MOS的漏極與PNP的基極沒有獨立的外接電極接口,正如圖中虛線所示。
電子電流通過MOS溝道,形成PNP的基極電流,使得PNP晶體管導通。需要注意的是,IGBT的集電極和發射極與PNP的命名方式相反。
下面我們來分析一下基于BJT&MOS模型的IV特性。回顧本章第一小節基于PIN&MOS模型所推導出的IV特性表達式,如下:
表達式中的第一項為PIN壓降,第二項為MOS溝道壓降。因為,且電子電流和空穴電流經過PIN的部分,兩種模型并無差別,所以第一項不用調整。第二項則需要將替換為電子電流。
回顧“IGBT中的若干PN結”一章中對于PNP增益的分析,定義為共發射極的電流增益,共基極電流增益為,那么
所以,電子電流與總電流關系為,
將上面表達式中MOS溝道電流替換成,即得到基于BJT&MOS模型的IV特性。
因為MOS溝道壓降多了系數,顯然結果應小于PIN&MOS模型。
舉例:基于PIN+MOS模型,假設IGBT芯片厚度100μm,溝槽寬度1.5μm,溝道深度3μm,柵氧厚度120nm,載流子壽命5微秒,閾值電壓為5V,柵極施加電壓為15V,電流增益=0.5,我們比較一下基于PIN&MOS模型和基于BJT&MOS模型的IGBT的IV特性曲線,計算結果如下圖所示:
其中藍色曲線是基于PIN&MOS模型得出的IV特性,而紅色曲線則是基于BJT&MOS模型得出的IV曲線,顯然后者的壓降更低。同時黃線為PIN部分的導通壓降,隨著PNP增益的增大,MOS部分的電壓降低,IGBT的IV特性逐漸向PIN特性趨近。所以,增大PNP的電流增益可以有效降低IGBT的導通壓降,但同時會犧牲掉一些其他特性,如飽和電流會隨增大而快速上升,導致其短路耐受能力大幅下降。
因為MOS溝道電流存在一個飽和電流值,所以IGBT也自然存在一個飽和電流值,它們之間的比例也應該是的關系,即
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