IGBT转移特性的计算与仿真研究

（西安电力电子技术研究所，陕西 西安 710077）

近年来，IGBT被广泛使用，提高功率容量是其发展趋势。在高压IGBT中，提高通流与抗闩锁能力成为设计的主要目标之一，通过优化表面MOS结构实现。器件的转移特性强烈依赖于表面MOS结构，通过阈值电压来表征。

1 IGBT转移特性的理论分析

1．1 GBT 的转移特性

IGBT的栅极与发射极处于正向偏置，集电极电流随栅极与发射极电压变化而变化的关系称为IGBT的转移特性。当栅射极之间的电压小于阈值电压时IGBT阻断。因受限于最大集电极电流，实际应用中，IGBT的最高栅射电压通常取为15V左右。

1．2 阈值电压的理论分析

阈值电压的数学表达式如式（1）所示：

2 IGBT转移特性的计算机仿真

2．1 ISE 仿真过程

本文关于转移特性的计算机仿真过程如下：（1）利用Dios工艺仿真模块生成器件的表面MOS结构。（2）将由Dios生成的表面MOS结构导入到Mdraw模块中，并对需要优化的区域进行优化。（3）利用Dessis电气特性仿真模块仿真器件的转移特性。（4）在Ispect图形查看模块中查看转移特性曲线。

2．2 IGBT表面MOS结构的生成

利用DIOS模块进行工艺仿真，生成器件的二维结构图。鉴于器件结构的对称性，为了提高工作效率兼顾仿真结果准确性，仿真生成了一半的器件表面MOS结构，如图1所示。

图1 器件表面MOS结构

2．3 表面MOS结构的优化

利用Mdaw模块对器件结构进行网格优化，提高仿真结果的准确性的同时尽量缩短仿真的时间。器件表面结构的网格优化如图2。

图2 器件表面结构的网格优化

2．4 转移特性仿真

利用Dessis模块进行器件的电气特性仿真。

（1）阈值电压与P阱掺杂浓度的关系。对四种P阱掺杂浓度进行研究，如图3所示。随掺杂浓度增大，转移特性曲线整体右移，器件阈值电压增大。这是由于杂质补偿效应使得形成沟道愈发困难，即阈值电压变大，仿真结果表明，这一关系呈现非线性。

图3 不同P阱杂质浓度下的转移特性曲线

（2）阈值电压与栅极氧化层厚度的关系。针对四种栅极氧化层厚度进行研究，如图4所示。随着栅极氧化层厚度的增加特性曲线整体右移，阈值电压增大。表明栅极对器件沟道的控制能力被逐渐消弱，器件表面形成沟道需要更大的栅极电压。

3 结语

对IGBT的转移特性进行计算和仿真研究。结果表明，影响转移特性的因素首先是P阱的掺杂浓度和杂质的分布情况，其次，是栅极氧化层的厚度。此外，大量的仿真实验数据表明，沟道越长杂质分布越趋于平坦，阈值电压越容易控制。为获得稳定的阈值电压，生产中需优化P阱的掺杂及退火工艺。

图4 不同栅氧厚度下转移特性曲线