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IGBTの伝導とスイッチング特性
松田順一
群馬大学
1
場所 群馬大学理工学部(桐生キャンパス)総合研究棟502号室
第316回群馬大学アナログ集積回路研究会
日時 2016年12月02日(金) 14:00〜17:00
概要 • IGBTの構造
• IGBTの動作と出力特性
• IGBT等価回路
• ブロッキング特性
• 対称型IGBT(順方向と逆方向ブロッキング、リーク電流)、非対称型IGBT (順方向と逆方向ブロッキング、リーク電流)
• オン状態の特性
• オン状態モデル、対称型IGBT(オン状態キャリア分布、オン状態電圧降下)、非対称型IGBT(オン状態キャリア分布、オン状態電圧降下)
• 電流飽和モデル
• 対称型IGBT(キャリア分布、出力特性、出力抵抗)、非対称型IGBT(キャリア分布、出力特性、出力抵抗)
• スイッチング特性
• ターンオン特性(フォワード・リカバリ)、ターンオフ特性(無負荷状態、抵抗負荷、インダクタ負荷)、ターンオフ期間のエネルギー損失、パワー損失最適化
2
参考文献 B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices,” Springer Science + Business Media, 2008
IGBTの構造
対称型IGBT(ノンパンチスルー型) 非対称型IGBT(パンチスルー[フィールド・ストップ]型)
エミッタ
コレクタ
N-バッファ層
P+領域
N-ドリフト(ベース)領域
ディープ
P+
N+ N+
ゲート
P JFET P
エミッタ
コレクタ
P+領域
N-ドリフト(ベース)領域
N+ N+
ゲート
P JFET P
NP+ NP+
ND
xJP+
ND
NB
NCS NCS
xJC
xJP+
xJC
3
ドーピング濃度(対数) ドーピング濃度(対数)
ディープ
P+ ディープ
P+ ディープ
P+
J1 J1
J2 J2
使用基板:N型(ブロッキング電圧に応じた濃度と厚み)
P+領域(コレクタ):ウエハの裏面からP+拡散 N-バッファとN-ドリフト領域:エピタキシャル成長 (ブロッキング電圧に応じた濃度と厚み)
使用基板:P+型(コレクタ)
IGBTの動作と出力特性
4
IC
VGE
VCE
BVR,AS VGE=0 BVR,S
BVF
オン状態
逆方向 ブロッキング状態
順方向 ブロッキング状態
IGBT出力特性
大きなゲート電圧(MOSFET線型領域)
低いゲート電圧(MOSFET飽和領域)
・ブロッキング特性(PNPオープン・ベース・ブレークダウン電圧)
・オン状態特性
IGBTの特性⇒PiNダイオード特性
IGBTの特性⇒飽和電流特性(∵ベース電流飽和) (短絡回路保護に有効)
対称型耐圧:N-ベース領域の厚みと少数キャリア・ライフタイム起因 非対称型耐圧:N-ベースの低濃度領域の厚み起因
順方向ブロッキング:J2逆バイアス、J1順バイアス
逆方向ブロッキング:J1逆バイアス、J2順バイアス
対称型耐圧: 順方向ブロッキングの場合と同じ 非対称型耐圧:J1で高耐圧をサポート不可⇒DC用途
・スイッチング損失(ターンオフ)
スイッチング損失とオン状態電圧降下⇒トレードオフの関係
IGBT等価回路
エミッタ
コレクタ
P+領域
N-ドリフト領域
P+
N+ N+
P+
ゲート
P JFET P
③MOSFET
① PNPバイポーラ・トランジスタ
①
③
②
② 寄生サイリスタ
等価回路 (寄生サイリスタ有り)
等価回路 (寄生サイリスタ無し)
C
PNP
RS
E
NPN
MOSFET
PNP
MOSFET
C
E
5
寄生サイリスタの動作を完全に抑えることが重要
(ディープP+⇒ラッチアップ抑制)
対称型順方向ブロッキング特性
N- P+ P+
空乏層
WN
WDN l
E(y)
E(y)
IE IC αPNPIC
IL
J1 J2
オープン・ベース・ブレークダウン条件
⇒ リーチスルー
2
2N
S
DRT W
qNBV
リーチスルーの場合のブレークダウン電圧
1 MTEPNP
LCPNPC III
P
TLlcosh
1
γE(≒1): J1の注入効率
αPNP: ベース接地電流利得
αT: ベース輸送ファクター
M: キャリア増倍係数 PNP
LC
II
1
D
CSN
qN
VWl
2
VC: コレクタ電圧
LP: ベース領域の正孔の拡散長
ND
(V) 1024.5 4313 DPP NBV nPPC BVV
M
1
1
n=6: P+/Nダイオードの場合
∵
6
Em
Em
y
y
)cm( 3
DN
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2 4 6 8 10 12 14
Dri
ft R
egio
n W
idth
(μ
m)
Drift Region Doping Concentrarion (1013cm-3)
オープン・ベース・ブレークダウン電圧とドリフト領域幅の関係 (ドリフト領域幅とドーピング濃度の最適値導出)
7
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
100 125 150 175 200 225 250Op
en B
ase
Bre
akd
ow
n V
olt
age
(V)
Drift Region Width (μm)
314 cm 101 DN②
オープン・ベース・ブレークダウン電圧と ドリフト領域長さの関係(ND:パラメータ) オープン・ベース・ブレークダウン電圧:1200V
①
(対称型順方向ブロッキング特性)
313 cm 105.7 DN③
314 cm 1025.1 DN①
313 cm 105.2 DN⑤
313 cm 100.5 DN④
④
③ ②
⑤
Nドリフト領域内の少数キャリアライフタイム τp=10μs と仮定
ドリフト領域幅とドーピング濃度の関係
(マージンをみて1300Vでプロット)
最小ドリフト領域幅(190μm)の時の ドーピング濃度⇒6×1013cm-3(最適値)
αT 増大に起因 M 増大に起因
対称型逆方向ブロッキング特性
8
N- P+ P+
空乏層
WN
WDN l
E(y)
E(y)
IE IC αPNPIE IL
J1 J2
⇒ リーチスルー
2
2N
S
DRT W
qNBV
リーチスルーの場合のブレークダウン電圧
ND
Em
Em
⇒ 対称型順方向ブロッキング特性と同様
電界ピーク位置
対称型順方向ブロッキング ⇒ J2
対称型逆方向ブロッキング ⇒ J1
対称型逆方向ブロッキング特性
(オープン・ベース・ブレークダウン条件)
y
y
対称型構造のリーク電流特性(温度依存性)
9
リーク電流密度 JL (空乏層内の発生電流密度 JSCG) ⇒内部のPNPトランジスタが JSCG を増幅
PNP
SCGL
JJ
1
D
CS
SC
i
SC
iDSCG
N
VqnnqWJ
2
τSC: 空間電荷発生ライフタイム
1E-08
1E-07
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
0 200 400 600 800 1000
Leak
age
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
JL (T=450 K)
JL (T=400 K)
JL (T=350 K) JL (T=300 K)
JSCG (T=300 K)
313 cm 105 DN
リーク電流密度のコレクタ電圧依存性
μs 20SC μs 10pμm 200NW
)1( MTPNP
P
TLlcosh
1
ppP DL
τp: ベース領域少数キャリア・ライフタイム
pPq
kTD
Dp: ベース領域少数キャリア拡散係数
k: ボルツマン定数
T: 絶対温度
q: 素電荷量
μp:ベース領域少数キャリア移動度
1E-07
1E-06
1E-05
1E-04
0 200 400 600 800 1000
Leak
age
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Bias (V)
対称型構造のリーク電流特性(ライフタイム依存性)
10
LLp
313 cm 105 DNμm 200NW
MTPNP
(低レベル・ライフタイム)
JL (τLL=1 μs)
JL (τLL=100 μs)
JL (τLL=10 μs)
LLSC 2
リーク電流密度のコレクタ電圧依存性 ベース中性領域内の拡散電流
K 300T
ベース空乏層内の発生電流
)μs 0 1()μs 1( LLLLLL JJ
)μs 0 1()μs 1( LLLLLL JJ
)μs 0 1()μs 100( LLLLLL JJ
)μs 0 1()μs 100( LLLLLL JJ
仮定
非対称型順方向ブロッキング特性(1)
11
N-
空乏層
WN
WDN l
E(y)
E(y)
IE IC αPNPIC
IL
J1 J2
⇒ リーチスルー
ND
Em
Em
NNB
WNB
⇒ リーチスルー後
WDNB Em
E(y)
y
y
y
2
2N
S
DRT W
qNV
(V) 1024.5 4313 DPP NBV
2
2
N
S
DNCPT W
qNWEBV
①
③
②
① 空乏層幅 WDN ≪ Nベース幅 WN の場合の耐圧
② リーチスルー時(Em < EC: 臨界電界)のコレクタ電圧
③ パンチスルー発生後の耐圧
⇒ 実際には、オープン・ベース・ブレークダウン 現象が発生し、耐圧は BVPT より低下する。
E1
面積 VC: コレクタ電圧
)cm( 3
DN
P+ P+
(注)①~③の縦軸のスケールは異なる
非対称型順方向ブロッキング特性(2)
12
1 MTEPNP
ELCPNPC IIII
NBPNB
TLW ,cosh
1
PNP
LC
II
1
オープン・ベース・ブレークダウン条件
DNBNBnEAEnENBP
AEnENBP
ENWDNLD
NLD
,
,
DP,NB: Nバッファ層の少数キャリアの拡散係数
NAE: P+コレクタ領域のドーピング濃度
DnE: P+コレクタ領域の少数キャリアの拡散係数
LnE: P+コレクタ領域の少数キャリアの拡散長
NDNB: Nバッファ層のドーピング濃度
WNB: Nバッファ層の幅
LP,NB: Nバッファ層の少数キャリアの拡散長
(Nバッファ層内での空乏層広がり無視)
∵
nPPNPT BVVM
1
1
VNPT: ノンパンチスルー電圧
n=6: P+/Nダイオードの場合
非対称型順方向ブロッキング特性(3)
13
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
1E+16 1E+17 1E+18 1E+19
No
rmal
ized
Lo
w L
eve
l Lif
etim
e τ L
L/τ p
0
Doping Concentation (cm-3)
Nバッファ層の少数キャリアの拡散長
REFDP
LL
NN
1
1
0
kTEE
D
ikTEE
D
i
P
LL irir eN
ne
N
n
1
0
LLNBPNBP DL ,,
低レベル・ライフタイムの経験式(Empirical Model) Empirical Model
低レベル・ライフタイム(Nドリフト領域のドーピング濃度に依存)
0
0
p
n
Er: 再結合中心のエネルギー位置
規格された低レベル・ライフタイムとドーピング濃度の関係
1000 ,eV 3.0 rE
1 ,eV 55.0 rE
NBPNBPq
kTD ,,
μP,NB: Nバッファ層内の少数キャリア移動度
316 cm 105 REFN
非対称型順方向ブロッキング特性(4)
14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
1E+16 1E+17 1E+18
αT, γ E
Op
en B
ase
Bre
akd
ow
n V
olt
age
(V)
Buffer Layer Doping Concentration (cm-3)
313 cm 105 DN
μm 100NW
K 300T
μs 10 P
21
22N
S
DNmN
mC W
qNWEW
EEV
S
NDm
WqNEE
1
ノンパンチスルー電圧:VNPN 2
2
222
S
ND
N
C
D
S
D
mSNPT
WqN
W
V
qNqN
EV
αT
γE
μm 10NBW
オープン・ベース・ブレークダウン電圧導出
① オープン・ベース・ブレークダウン条件から M を導出
② M の式からVNPT を導出
オープン・ベース・ブレークダウン電圧の Nバッファ層ドーピング濃度依存性
② VNPT の式から VC を導出
∵
非対称型逆方向ブロッキング特性
15
(cm) 1060.2 8710
,
NBNBD NW(V) 1024.5 4313 NBRB NBV
N- P+ P+
空乏層
E(y)
IE IC
J1 J2
Em
y
∵ Nベースの中性領域幅が広いため αT 小
ブロッキング電圧:J1 接合のアバランシェ耐圧
NNB
NBDW ,
アバランシェ破壊時のNバッファ層内の空乏層広がり
)cm( 3
NBN
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+00
1E+01
1E+02
1E+03
1E+16 1E+17 1E+18
Dep
leti
on
Wid
th (
μm
)
Bre
akd
ow
n V
olt
age
(V)
Buffer Layer Doping Concentration (cm-3)
耐圧と空乏層広がりのNバッファ層ドーピング濃度依存性
非対称型構造の順方向リーク電流(1)
16
リーク電流密度 JL (空乏層内の発生電流密度 JSCG) ⇒内部のPNPトランジスタが JSCG を増幅
PNP
SCGL
JJ
1D
CS
SC
i
SC
iDSCG
N
VqnnqWJ
2
τSC: 空間電荷発生ライフタイム
低いコレクタ電圧の場合(空乏層がNバッファ層にリーチスルーする前)
BaseNTBufferNTTPNP -,-,
NBPNB
NBPNB
LW
CE
LW
CE
NP
NBPBufferNT e
J
eJ
yJ
WJ,
,
)(
)(-,
D
CSDN
qN
VW
2 NPDNN
BaseNTLWW ,
-,cosh
1
1M )( NBP WJ :NバッファとNドリフト界面での正孔電流密度
)( NP yJ :NバッファとP+コレクタ接合での正孔電流密度
高いコレクタ電圧の場合(空乏層がNバッファ層にリーチスルーした後)
⇒空乏層はNバッファ層内にほとんど広がらない ⇒空乏層内の発生電流は飽和する
JL は VC に対し一定
JL は VC とともに上昇
非対称型構造の順方向リーク電流(2)
17
1E-06
1E-05
1E-04
0 200 400 600 800 1000
Leak
ege
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
313 cm 105 DN
μm 100NW
K 300T
μs 1SC
μm 10NBW
SCGJ
この VC でリーチスルー
リーク電流密度のコレクタ電圧依存性
(Nベース領域)
Nバッファー層のライフタイムの濃度依存考慮
VC=386V 1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
0 200 400 600 800 1000
Leak
ege
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
K) 300( TJ SCG
K) 450( TJ L
K) 400( TJ L
K) 300( TJ L
K) 350( TJ L
リーク電流密度のコレクタ電圧依存性
(温度パラメータ) (NDB パラメータ)
真性キャリア密度の温度依存により 温度上昇とともにリーク電流増加
)cm 101( 317 DBL NJ
)cm 101( 316 DBL NJ
316 cm 101 DBN
オン状態の特性
18
エミッタ
コレクタ
P+領域
N-ドリフト領域
P+ N+
ゲート
P
PiN ダイオード
MOSFET
PiN ダイオード
MOSFET
IC
IE
エミッタ
コレクタ
SATI
THG VV ≫
FVCV
FI
CI
THG VV
MOSFET飽和領域
MOSFET線形領域
THG VV
p
IC
IE
A
A
ゲート
PiNダイオード+MOSFET モデル
IGBTのPiN領域のキャリア分布と電圧降下
19
N-
n=p
P+
J1
y
a
a
a
a
a
CHL
Ld
Ly
Ld
Ly
qL
Jypyn
cosh2
sinh
sinh
cosh
2)()(
酸化膜
ゲート コレクタ
-d d
2d
0
NW
n
p
Log
蓄積層
DNopn
キャリア分布(懸垂線)
キャリア分布
PiN部分の電圧降下
kTqV
a
aa
a
MeLd
LdLd
L
dF
2
4tanh25.01
tanh
aia
CPiNF
LdFnqD
dJ
q
kTV
2ln
2,
Da: 両極性拡散係数
HLaa DL
τHL: 高レベル・ライフタイム
La: 両極性拡散長
aPiNF LdV at :, 最小
pnDDDDD pnpna at 2
対称型IGBTのオン特性(MOSFET線形領域)
20
kTqV
a
iaC
PiNFeL
dF
d
nqDJ
2,2
a
aaa
a
aM
LdB
LdBBLdLdB
LdB
Ld
b
b
qkT
V2
222
222tanh1
tanh1lnsinhtanh1arctan
tanh1
sinh
1
8
p
nb
pn
pnB
THGOXni
CCH
THGOXni
CHCMOSFETF
VVC
JpL
VVCZ
LIV
, pZJI CC
THGOXni
CCH
aia
CMOSFETFPiNFIGBTF
VVC
JpL
LdFnqD
dJ
q
kTVVV
2ln
2,,,
コレクタ電流密度
コレクタ電圧
2for 2
2
aa
ML
d
L
d
q
kTV
2for
8
3
a
Ld
ML
de
q
kTV a
対称型IGBTのオン特性(MOSFET線型モデル)
21
0.01
0.1
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2
)
Collector Voltage (V)
0
200
400
600
800
1000
0 1 2 3 4 5Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
nm 50OXtμs 10HL -1-12 sVcm 200ni
μm 15p
V 15GV
KneeV
V 10
V 8
V 6
μm 200NW
V 15GV
V 10 V 8V 6
MOSFET 1200V耐圧 (0.3Ωcm2)
消費電力密度 100W/cm2
μm 5.1CHL
Vknee: PiN電流がコレクタ電圧の指数関数になっていることに起因
コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性(線形スケール) コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性(対数スケール)
2
, A/cm 100 10V,at V 28.1 CGIGBTF JVV
(MOSFET 1200V耐圧⇒VDS=30V at IDS=100A/cm2)
V 22.1 ,A/cm82 ,
2 IGBTFC VJ2 W/cm100:)( 10V,at DG PV 消費電力密度
ブロッキング電圧: 1200V, VTH=5V ブロッキング電圧: 1200V, VTH=5V
(MOSFET 1200V耐圧⇒IDS=18A/cm2, VDS=5.41V, at PD=100W/cm2)
対称型IGBTのオン特性(MOSFETピンチオフモデル)
22
0
200
400
600
800
1000
0 1 2 3 4 5Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
2,
211
THGOXni
CCHTHGMOSFETF
VVC
JpLVVV
V 15GV
KneeV
V 10
V 8
V 6
ブロッキング電圧: 1200V, VTH=5V
2
,,2
1MOSFETFMOSFETFTHG
CH
OXniCC VVVV
L
ZCpZJI
nm 50OXtμs 10HL -1-12 sVcm 200ni
μm 15pμm 200NW μm 5.1CHL
コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性
コレクタ電流大⇒MOSFET飽和特性(ゲート電圧低の場合)
ピンチオフモデルを含むMOSFET電流式
MOSFETを横切る電圧降下(ドレイン電圧)
(MOSFETピンチオフモデルを用いた場合)
対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(1)
23
022
2
aL
p
dy
pd 0)0( pp
0)( NWp
aN
aN
LW
LyWpyp
sinh
sinh)( 0
PNP領域のキャリア分布(PiNモデルと境界条件異なる)
境界条件 ディープP+ とN-ベース接合(J2)位置(y=WN):逆接合(オン状態)
P+ コレクタとN-ベース接合(J1)位置(y=0)
CONEp
y
p JJdy
dpqD ,
0
)0(2
γE,ON: P+ コレクタとN-ベース接合の注入効率(オン状態)
PNP領域のキャリア分布(PiNモデルと境界条件異なる)
J1 における正孔電流
少数キャリア(N-ベース領域:正孔)の連続の式
HLaa DL :両極性拡散長
低レベル注入⇒ γE,ON ≒1
高レベル注入⇒ γE,ON <1
対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(2)
24
N-ベース P+
J1
コレクタ
pn 0p
0nNn0
Np0
キャリア 密度
(Log)
AENp
nJ
pJCJ
0
y
y
電流 密度
Ny Py
Pn0
高レベル注入時のキャリアと電流密度分布(at J1)
kT
N
P
P
N eyn
yn
yp
yp )(
)(
)(
)(
J1 における境界条件(順方向バイアス)
Δψ:J1 を横切る電位障壁
NAE: P+ 領域アクセプタ濃度
AEEPNN Npyppypyn 00 )( ,)()(AE
PN
pnyn
2
00)(
P+ 内での少数キャリア(電子)の拡散電流(低レベル注入)
AEnE
nE
nE
nEPn
NL
pqD
L
nqDyJ
2
00)( )()( NnPn yJyJ
∵電子電流は空乏層内で連続
J1 における注入効率 γE,ON
C
Nn
C
Np
ONEJ
yJ
J
yJ )(1
)(,
対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(3)
25
CONE
y
nnn Jdy
dnqDEnqJ ,
0
1)0()0()0(
0
)0()0()0(
y
pppdy
dpqDEnqJ
000
,1)0(
yn
CONE
dy
dp
qp
kT
pq
JE
0)0()0( ppn
P+ コレクタとN-ベース接合のN-ベース領域における(y=0)電子電流
P+ コレクタとN-ベース接合のN-ベース領域における(y=0)正孔電流
CONEp JJ ,)0(
0
, 21)0(
y
pCONE
n
p
pdy
dpqDJJ
ONE
p
nONE
p
C
n
p
yqD
J
dy
dp,,
0
12
aNayLWL
p
dy
dp
tanh
0
0
11
2
tanh,0
p
nONE
n
p
p
aNaC
qD
LWLJp
1E+13
1E+14
1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
0 50 100 150 200Ho
le C
arri
er C
on
cen
trat
ion
(cm
-3)
Distance (μm)
26
対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(4)
p
nc
00
2
0 cbpap
p
n
CAEnE
nE
JNL
qDa
1
p
n
aNaC
p
LWLJ
qDb
tanh
2
a
acbbp
2
42
0
μm 200NW
P+コレクタとN-ベース接合のN-ベース領域 における(y=0)正孔密度 p0 の導出
2A/cm 100CJ
μs 20HL
μs 2HL
μs 200HL
μs 2.0HL
対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布(PNP領域)
DN
0p
318 cm101 AEN
J1 J2
対称型IGBTのオン状態の電圧降下(1)
27
MOSFETNBNPON VVVV
2
0
0
0 lnlni
D
N
NPn
Np
q
kT
p
p
q
kTV
IGBTのオン電圧
VNB: N-ベースの電圧降下
VMOSFET: MOSFET領域の電圧降下
VP+N: P+ コレクタとN-ベース接合(J1)の電圧降下
aON
aN
pn
pn
aON
aN
pn
aNCaNB
LW
LW
q
kT
LW
LW
qp
LWJLV
sinh
sinhln
2tanh
2tanhln
sinh
0
CHACCJFETMOSFET VVVV
2
0 iDN nNp
CellW
GW
ONW
ALCHL
ゲート
エミッタ
N+
N-ベース
P+ 領域(コレクタ)
JPxP+
NW
P N+
P+ P JFET
0W
J1
J2
y
0y
対称型IGBTのオン状態の電圧降下(2)
28
aON
aN
pn
pn
aON
aN
pn
aNCaNB
LW
LW
q
kT
LW
LW
qp
LWJLV
sinh
sinhln
2tanh
2tanhln
sinh
0
dy
dn
q
kTyEynqyJ nn )()()(
dy
dp
ypq
kT
yqp
JyE
pn
pn
pn
C
)(
1
)()(
)()( ypyn
dy
dp
q
kTyEypqyJ pp )()()(
Cpn JyJyJ )()(
aNapn
pn
aNpn
aNC
LyWLq
kT
LyWqp
LWJyE
tanh
1
sinh
sinh)(
0
aN
aN
LW
LyWpyp
sinh
sinh)( 0
N-ベースの電圧降下導出
電子電流密度 正孔電流密度
N-ベース領域の電界
N-ベースの電圧降下(電界を 0~ (WN- WON) まで積分: y=0 at J1)
対称型IGBTのオン状態の電圧降下(3)
29
THGOXnA
CellJPGACSPACACC
VVC
WxWKJRJV
4
2,
2,
THGOXni
CellCHCSPCHCCH
VVC
WLJRJV
22 0
0,
WxW
WWxJRJV
JPG
CellJPJFETCSPJFETCJFET
CHACCJFETMOSFET VVVV
VJFET: JFETの電圧降下
VACC: 蓄積領域の電圧降下
VCH: MOSFETチャネル領域の電圧降下
JFETDPAJFETD
biPAS
NNqN
VNW
,,,
,
0
2
2
,,ln
i
JFETDPA
bin
NN
q
kTV
MOSFET領域の電圧降下
NA,P+ : ディープP+ 領域のドーピング濃度
ND,JFET : JFET 領域のドーピング濃度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0.1 1 10 100 1000
On
-sta
te V
olt
age
Dro
p (
V)
High Level Lifetime τHL (μs)
対称型IGBTのオン状態の電圧降下(4)
30
μm 200NW
2A/cm 100CJ
315
, cm105 JFETDN
313cm105 DN
nm 50OXt
6.0AK
-1-12 sVcm 450ni
μm 30CellW
μm 16GW
μm 5.1CHL
-1-12 sVcm 1000nA
V 15GV
V 5THV対称型IGBTのオン状態の電圧降下と高レベル・ライフタイムの関係
ONV
NPV
NBV
MOSFETV μm 5JPx
cm 96.0 JFET
τHL > 20 μs: VP+N, VMOSFET > VNB
τHL < 4 μs: VP+N, VMOSFET < VNB
τHL < 2 μs: VNB 急に増大 ⇒ スイッチング・スピード限定
ブロッキング電圧: 1200V
1E+13
1E+14
1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
0 20 40 60 80 100Ho
le C
arri
er C
on
cen
trat
ion
(cm
-3)
Distance (μm)
非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(1)
31
aNBN
aNBN
LWW
LyWWpyp
sinh
sinh)( 0
μs 20HLμs 2HL
μs 200HL
μs 2.0HL
非対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布(PNP領域)
DN
0p
J1 J2
μm 100NW
2A/cm 100CJ 319 cm101 AEN
μm 10NBW
N-バッファ層のドーピング濃度が低い場合(< 5×1016 cm-3) ⇒N-ベースとN-バッファ層内では高レベル注入
N-ベースとN-バッファ層内の正孔密度分布(n=p) N-バッファ層
(N-バッファ層のドーピング濃度が低い場合(< 5×1016 cm-3))
非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(2)
32
C
NBpPPnPnNBNBp
PnNBNBp
Np JLnDLpD
LpDyJ
,,0,,,0,
,,0,)(
NBC
NBpPPnPnNBNBp
NBpPnNB
N pJLnDLpDq
LLpyp ,0
,,0,,,0,
,,,0)(
PC
NBpPPnPnNBNBp
NBpPnP
P nJLnDLpDq
LLnyn ,0
,,0,,,0,
,,,0)(
N-ベース P+
J1
コレクタ
pn )( NBWp )( Nyp
Nn0
Np0
キャリア 密度
(Log)
AENp
nJ
pJCJ
y
y
電流 密度
Ny Py
)( Pyn
オン状態のキャリアと電流密度分布(at J1)
N-バッファ
NBn ,0
NBp ,0
)( NBWp
N-バッファ層のドーピング濃度が高い場合(> 1×1017 cm-3)
N-バッファ層: 低レベル注入
N-ベース領域: 高レベル注入
yN における正孔電流密度
yN における少数キャリア(正孔)密度
yP における少数キャリア(電子)密度
0
Pn ,0
非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(3)
33
aN
aNBNNB
LW
LyWWWpyp
sinh
sinh)()(
)()( NBpNBp WJWJ
aNa
NBp
Wy
pNBpLWL
WpqD
dy
dpqDWJ
NB
tanh
)(22)(
)(
2
tanh)( NBp
p
aNaNB WJ
qD
LWLWp
NBpNB LW
C
NBpPPnPnNBNBp
PnNBNBp
NBp eJLnDLpD
LpDWJ ,
,,0,,,0,
,,0,)(
NBpNB LW
C
NBpPPnPnNBNBp
NBpPnNB
NB eJLnDLpDq
LLpWp ,
,,0,,,0,
,,,0)(
N-バッファ層とN-ベース領域界面のN-バッファ層側の正孔密度と正孔電流密度: 低レベル注入
N-バッファ層とN-ベース領域界面のN-ベース領域側の正孔密度と正孔電流密度: 高レベル注入
(p0,NB 無視)
NBp
NBNBp
Wy
NBpNBpL
WpqD
dy
dpqDWJ
NB,
,,
)()(
NNBNB WWyW
1E+13
1E+14
1E+15
1E+16
1E+17
0 20 40 60 80 100
Ho
le C
arri
er D
ensi
ty (
cm-3
)
Distance (μm)
非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布(PNP領域)(4)
34
μm 100NW 2A/cm 100CJ319 cm101 AEN
μm 10NBW
DN
J1 J2
N-バッファ層
非対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布(PNP領域)
317 cm 101 NBN
NBN1
NBN2
NBN5.0
NBN10
313cm105 DN
N-ベース領域 τHL=2 μs N-バッファ領域 τHL:NNB でスケール
(N-ベース領域のドーピング濃度 NNB 依存)
N-バッファ層の正孔密度<NNB ⇒ N-バッファ層内:低レベル注入
N-ベース領域の正孔密度 > ND (NNB < 2×1017 cm-3)
⇒ N-ベース領域内:高レベル注入
N-ベース領域の正孔密度 < ND (NNB = 1×1018 cm-3)
⇒ N-ベース領域内:伝導度変調無し
N-バッファ層のドーピング濃度上昇 ⇒ N-ベース内の正孔密度低下
(コレクタからN-バッファ層への正孔の注入効率低下)
N-ベース内のライフタイム低減と同様の効果 (スイッチング・スピード上昇するが導通損失増大)
非対称型IGBTのオン状態の電圧降下(1)
35
MOSFETNBNPON VVVV
2
0
,0
0 lnlni
NB
NB
NPn
Np
q
kT
p
p
q
kTV
VNB: N-ベースの電圧降下
VMOSFET: MOSFET領域の電圧降下
VP+N: P+ コレクタとN-ベース接合(J1)の電圧降下
aON
aN
pn
pn
aON
aN
pnNB
aNCaNB
LW
LW
q
kT
LW
LW
Wqp
LWJLV
sinh
sinhln
2tanh
2tanhln
)(
sinh
CHACCJFETMOSFET VVVV
2
,0 iNBNB nNp
316 cm 105 NBN
2
,0
)(ln
)(ln
i
NBN
NB
NNP
n
Nyp
q
kT
p
yp
q
kTV
316 cm 105 NBN
aON
aNBN
pn
pn
aON
aNBN
pn
aNBNCaNB
LW
LWW
q
kT
LW
LWW
qp
LWWJLV
sinh
sinhln
2tanh
2tanhln
sinh
0
(N-バッファ層の電圧降下無視)
オン状態の電圧降下
の場合(N-ベース領域 & N-バッファ層:高レベル注入)
の場合((N-ベース領域:高レベル注入, N-バッファ層:低レベル注入)
0
1
2
3
4
0.1 1 10 100 1000
On
-sta
te V
olt
age
Dro
p (
V)
High Level Lifetime τHL (μs)
非対称型IGBTのオン状態の電圧降下(2)
36
316 cm 101 NBN
低ドーピングN-バッファ層の場合 (N-ベース領域 & N-バッファ層:高レベル注入)
μm 100NW
2A/cm 100CJ
315
, cm105 JFETDN
313cm105 DN
nm 50OXt
6.0AK
-1-12 sVcm 450ni
μm 30CellW
μm 16GW
μm 5.1CHL
-1-12 sVcm 1000nA
V 15GV
V 5THV
μm 5JPx
cm 96.0 JFET
ONV
NPV NBV
MOSFETV
ブロッキング電圧: 1200V
非対称型IGBTのオン状態の電圧降下と高レベル・ライフタイムの関係
τHL > 1 μs: VP+N, VMOSFET > VNB
τHL < 0.4 μs: VP+N, VMOSFET < VNB
τHL < 0.3μs: VNB 急に増大 ⇒ スイッチング・スピードは増大するが、導通損失も増大する
・最大スイッチング・スピード:非対称型IGBT>対称型IGBT ・オン状態の電圧降下:非対称型IGBT<対称型IGBT
μm 10NBW
同じブロッキング電圧で比較
0
2
4
6
8
10
1E+16 1E+17 1E+18
On
-Sta
te V
olt
age
Dro
p (
V)
N-Buffer Layer Doping Concentration (cm-3)
非対称型IGBTのオン状態の電圧降下(3)
37
μm 100NW
2A/cm 100CJ
315
, cm105 JFETDN
313cm105 DN
nm 50OXt
6.0AK
-1-12 sVcm 450ni
μm 30CellW
μm 16GW
μm 5.1CHL
-1-12 sVcm 1000nA
V 15GV
V 5THV
μm 5JPx
cm 96.0 JFET
N-ベース領域 τHL=2 μs
N-バッファ領域 τHL:NNB でスケール
ONV
NPV
NBV
MOSFETV
ブロッキング電圧: 1200V
非対称型IGBTのオン状態の電圧降下と N-バッファ層ドーピング密度 NNB の関係
N-バッファ層へ 高レベル注入
N-バッファ層へ 低レベル注入
NNB < 3×1016cm-3: VP+N, VMOSFET > VNB
NNB > 8×1016cm-3 : VP+N, VMOSFET < VNB
NNB > 2×1017cm-3 : VNB 急に増大 ⇒ スイッチング・スピードは増大するが、導通損失も増大する
μm 10NBW
電流飽和特性(PNPトランジスタ+MOSFET モデル)(1)
38
エミッタ
コレクタ
P+領域
N-ドリフト領域
P+ N+
ゲート
P
PNP トランジスタ
MOSFET
MOSFET
IC
IE エミッタ
コレクタ
IC
IE
ゲート
2CellW
In
Ip
In
Ip
npE III
n
PNP
PNPp II
1
PNP
nCE
III
1
1 ,, MM PNPTEPNPTEPNP
a
PNPTLlcosh
1,
D
CSNDNN
qN
VWWWl
2
エミッタ電流 IE
In: PNP のベース電流
PNPの電流利得(ベース接地) αPNP
αT,PNP :ベース輸送ファクタ―
l :空乏領域でないN-ベース領域
La :両極性拡散長 PNPトランジスタ+MOSFET モデル
電流飽和特性(PNPトランジスタ+MOSFET モデル)(2)
39
2,
111
THGOXni
PNPCCHCellTHGMOSFETF
VVC
JLWVVV
22
THG
CH
OXnin VV
L
ZCI
MOSFETの飽和電流(ピンチオフモデル)
飽和領域のトランスコンダクタンス
2,,
12THG
PNPCH
OXniSATCSATE VV
L
ZCII
IGBTの飽和電流
THG
PNPCH
OXni
G
SATC
SATm VVL
ZC
dV
dIg
1
,
,
aia
CPiNF
LdFnqD
dJ
q
kTV
2ln
2,
PNPCCell
n ZJW
I 12
CMOSFETFPiNFIGBTF VVVV ,,,
IGBTに掛かる電圧
JC-VC 特性⇒繰り返し計算必要(αT,PNP に VC 依存性があるため)
電流飽和特性(PNPトランジスタ+MOSFET モデル)(3)
40
0.00E+00
2.00E+02
4.00E+02
6.00E+02
8.00E+02
1.00E+03
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
V 10GV
V 9
V 8
V 6
ブロッキング電圧: 1200V, VTH=5V
nm 50OXtμs 10HL -1-12 sVcm 200ni
μm 152 CellWpμm 200NW μm 5.1CHL
コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性
V 7
コレクタ電流:(PNPトランジスタ+MOSFET モデル)>(PiNダイオード+MOSFET モデル)
∵ PNPトランジスタの利得を考慮
25.0, PNPTPNP
V 100for 29.024.0, ~~ CPNPT V
対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(1)
41
N-ベース P+
J1
コレクタ
SCp
0pキャリア 密度
AENp
y
電界
)( Pyn
mE
Pn ,0
(Log)
NW
DN
J2
空間電荷 領域
伝導度変調 領域
CIEI
SCW
SCn
エミッタ
0
2
,,
,
THG
CHCellnsat
OXni
nsat
PNPn
SC VVLWqv
C
qv
Jn
psat
CSC
qv
Jp
,
2,,
2THG
CHCell
OXni
Cell
DSATPNPnPNPB VV
LW
C
ZW
IJJ
∵ PNP ベース電流(飽和電流)
空間電荷領域内の電子と正孔密度
02
2
dy
pd
yWW
pppyp
SCN
SC
0
0)(
(定常状態、高レベル注入(n=p)、再結合がない場合)
N-ベース領域内の正孔密度
N-ベース領域内の正孔の連続の式
順方向ブロッキング の場合の電界
SCSC np WSC (飽和電流印加時) < WSC (順方向ブロッキング時) 同じ VC 印加時
P+
y
0)0( pp
SCSCN pWWp )(
境界条件
ディープP+ とN-ベース接合(J2)の ベース領域内の空乏層端
P+ コレクタとN-ベース接合(J1)位置(y=0)
対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(2)
42
dy
dn
q
kTyEynqyJ nn )()()(
dy
dp
ypq
kT
yqp
JyE
pn
pn
pn
C
)(
1
)()(
dy
dp
q
kTyEypqyJ pp )()()(
)()( ,)()( ypynJyJyJ Cpn
N-ベース領域の電子電流密度 N-ベース領域の正孔電流密度
N-ベース領域の電界
SCN
SC
pn
pn
pn
NC
WW
pp
qp
kT
qp
WJE
0
00
)0(
0
2)0()( p
WW
kTJJyJ
SCNpn
pn
pn
Cp
pNp
AEnE
nECPp
N
p
L
qDJyJ
2
0)(
yN(y=0) と yP における正孔電流密度
対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(3)
43
C
pn
n Jc
00
2
0 cbpap
AEnE
nE
NL
qDa
SCNnp
pn
WW
kTb
2
a
acbbp
2
42
0
P+ コレクタ(薄型エミッタ)とN-ベース接合のN-ベース領域における(y=0)正孔密度 p0 の導出
)()( PpNp yJyJ
p0 導出 ⇒ 繰り返し計算必要(JC に αT,PNP(VC) 依存性があるため)
p0 導出の簡易方法
仮定: (1)コレクタ電流はコレクタ電圧で大きく変わらない(電流飽和領域) (2)ベース輸送ファクター αT,PNP=1(N-ベース領域内で再結合無視) (3)キャリア増倍係数 M=1
⇒ 低コレクタ電圧で正孔密度 p0 を求めることができる
対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(4)
44
SCSCD
CSSC
npNq
VW
2
AEnE
nE
nE
nEPnNn
NL
pqD
L
nqDyJyJ
2
00)()(
J1 における注入効率(電流飽和領域) γE,S
2
0
000
, 1)(
1)(
pNLJ
qD
J
yJ
J
yJ
AEnEC
nE
C
Nn
C
Np
SE
JC0: 低コレクタ電圧でのコレクタ飽和電流
SE
PNPB
PNP
PNPB
C
JJJ
,
,,
011
nE
AEnEPNPB
qD
NLJp
,
0
2
000
2p
NL
qDp
W
kTJ
AEnE
nE
n
pn
p
N
C
psat
CSC
qv
Jp
,
0
(WSC 無視)
pSC と WSC
p0 導出
p0 の簡易導出
対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(5)
45
1E+13
1E+14
1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
0 50 100 150 200Ho
le C
arri
er C
on
cen
trat
ion
(cm
-3)
Distance (μm)
μm 200NW
2
, A/cm 153PNPBJ
313cm105 DN
nm 50OXt-1-12 sVcm 450ni
μm 30CellW
μm 5.1CHL
V)(CV
V 5THV
318 cm101 AEN
317
0 cm109.1 p
2
0 A/cm 252CJ
314 cm106.1 SCp
39.0, SE
313cm105.9 SCn
V 5.6GV
800
100600
400
200
対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布
(コレクタ電圧:パラメータ)
DN
J1 J2
対称型IGBTの出力特性(1)
46
nSCC BVVM
1
12
0
000
, 1)()0(
pNLJ
qD
J
yJ
J
J
AEnEC
nE
C
Np
C
p
SE
M
VJVJVVJ
PNPTSE
GPNPB
PNP
GPNPB
CGC
,,
,,
1
)(
1
)(),(
43131024.5
SCSCDSC npNBV 5n
コレクタ電流密度の VG, VC 依存性
)0(
)(,
p
SCNp
PNPTJ
WWJ
γE,S: VG 依存性 αT,PNP , M : VC 依存性
022
2
aL
p
dy
pd
aaSCN
aSCNSC
a L
y
LWW
LWWpp
L
ypyp sinh
sinh
coshcosh)( 0
0
(定常状態、高レベル注入(n=p))
0)0( pp
SCSCN pWWp )(境界条件
ディープP+ とN-ベース接合(J2)のベース領域内の空乏層端
P+ コレクタとN-ベース接合(J1)位置(y=0)
N-ベース領域内の正孔密度
N-ベース領域内の正孔の連続の式 HLaa DL
SCSCD
CSSC
npNq
VW
2
BVSC: 平型 P+-N接合アバランシェ・ブレークダウン電圧
対称型IGBTの出力特性(2)
47
dy
dn
q
kTyEynqyJ nn )()()(
dy
dp
ypq
kT
yqp
JyE
pn
pn
pn
C
)(
1
)()(
dy
dp
q
kTyEypqyJ pp )()()(
)()( ,)()( ypynJyJyJ Cpn
N-ベース領域の電子電流密度 N-ベース領域の正孔電流密度
N-ベース領域の電界
dy
dpqD
JyJ
pn
np
pn
Cp
p
2)(
yにおける正孔電流密度(E(y)をJp(y)に代入)
C
aSCN
S
pn
n
pn
p
SCNp JLWW
KWWJ
cosh)(
n
p
SE
n
pn
SK
,
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 200 400 600 800 1000
Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
対称型IGBTの出力特性(3)
48
対称型IGBTの出力特性
μm 200NW313cm105 DN
nm 50OXt-1-12 sVcm 450ni
μm 30CellW
μm 5.1CHL
V 5THV
318 cm101 AEN
V 5.7GV
V 5.6GV
V 0.7GV
V 0.6GV
V 1913 ,cm 1049.7 V, 0.6 313
SCSCG BVpV
V 1522 ,cm 1057.1 V, 5.6 314
SCSCG BVpV
V 1222 ,cm 1070.2 V, 0.7 314
SCSCG BVpV
V 996 ,cm 1012.4 V, 5.7 314
SCSCG BVpV
)V 5.70.6( 36.043.0, ~~ GSE V
98.087.0, ~PNPT
対称型IGBTの出力抵抗(1)
49
nSCC BVVM
1
1
M
VJVJVVJ
PNPTSE
GPNPB
PNP
GPNPB
CGC
,,
,,
1
)(
1
)(),(
γE,S: VG 依存性 αT,PNP , M : VC 依存性
低いコレクタ電圧 ⇒ コレクタ電流は αT,PNP(VC)に依存(∵M≒1)
高いコレクタ電圧 ⇒ コレクタ電流は M(VC)に依存(∵ αT,PNP(VC) ≒1)
n
C
n
SCPNPTSE
n
C
n
SCGPNPB
CGCVBV
VBVVJVVJ
,,
,
1
)(),(
CPNPT
n
C
n
SC
n
CPNPT
n
SCPNPBSE
n
C
n
SCSE
C
CSPO
dVdVBVVnBVJ
VBV
dV
dJR
,
1
,,,
2
,
1
,
1
CSCSCD
S
aSCN
aSCNS
pn
n
aSEC
PNPT
VnpNqLWW
LWWK
LdV
d
2cosh
tanh1
,
,
特性出力抵抗
コレクタ電流密度
1E+00
1E+01
1E+02
1E+03
0 200 400 600 800 1000Spec
ific
Ou
tpu
t R
esis
tan
ce (
Ωcm
2)
Collector Voltage (V)
対称型IGBTの出力抵抗(2)
50
5.7
5.6
0.7
0.6
V) (GV μm 200NW313cm105 DN
nm 50OXt-1-12 sVcm 450ni
μm 30CellW
μm 5.1CHL
V 5THV
318 cm101 AEN
)V 5.70.6( 36.043.0, ~~ GSE V
98.087.0, ~PNPT
低コレクタ電圧:αT,PNP に依存して増大
高コレクタ電圧:M に依存して減少
対称型IGBTの特性出力抵抗 特性出力抵抗
非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(1)
51
2
,,
,
THG
CHCellnsat
OXni
nsat
PNPn
SC VVLWqv
C
qv
Jn
psat
CSC
qv
Jp
,
2,,
2THG
CHCell
OXni
Cell
DSATPNPnPNPB VV
LW
C
ZW
IJJ
∵ PNP ベース電流(飽和電流)
空間電荷領域内の電子と正孔密度
022
2
aL
p
dy
pd
(定常状態、高レベル注入(n=p))
WNBNB pWp )(
SCSCN pWWp )(
境界条件
ディープP+ とN-ベース接合(J2)の ベース領域内の空乏層端
N-ベースとN-バッファ接合界面のN-ベース側
N-ベース領域内の正孔の連続の式
HLaa DL
N-ベース
P+
J1
コレクタ
SCp
0p キャリア 密度
AENp
y
電界
)( Pyn
mE
Pn ,0
(Log)
NW
DN
J2
空間電荷 領域
伝導度 変調 領域
CIEI
SCW
SCn
エミッタ
0
順方向ブロッキング の場合の電界
N-バッファ
NBDN ,
P+
NBW
y
WNBp
WNBp
非対称IGBTの電界とキャリア分布(パンチスルー前)
非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(2)
52
aaSCN
aSCNWNBSC
a
WNBL
y
LWW
LWWpp
L
ypyp sinh
sinh
coshcosh)(
N-ベース領域内の正孔密度
SCSCD
CSSC
npNq
VW
2
dy
dn
q
kTyEynqyJ nn )()()(
dy
dp
ypq
kT
yqp
JyE
pn
pn
pn
C
)(
1
)()(
dy
dp
q
kTyEypqyJ pp )()()(
)()( ,)()( ypynJyJyJ Cpn
N-ベース領域の電子電流密度 N-ベース領域の正孔電流密度
N-ベース領域の電界
dy
dpqD
JyJ
pn
np
pn
Cp
p
2)(
yにおける正孔電流密度(E(y)をJp(y)に代入)
0 yWNB
非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(3)
53
)()( NBpNBp WJWJ
NBpNB LW
CSENBp eJWJ ,
,)(
NBpPPnPnNBNBp
PnNBNBp
SELnDLpD
LpD
,,0,,,0,
,,0,
,
aSCN
p
aCASWNB LWW
qD
LJKp tanh
2
n
pLW
SE
n
pn
ASNBpNBeK
,
,
aSCN
aSCNWNBSC
pn
n
a
p
pn
Cp
NBpLWW
LWWpp
L
qDJWJ
sinh
cosh2)(
(pSC 無視)
N-ベースとN-バッファ接合界面のN-ベース側の正孔密度
∵ N-バッファ領域:低レベル注入
パンチスルー前:コレクタ電圧 VC 増大 ⇒ 空間電荷領域 WSC 増大 ⇒ pWNB+ 減少
低コレクタ電圧でのコレクタ飽和電流一定: JC → JC0 (at WSC=0) → pWNB+ を求めることが可能
NBpNB LW
SEAS eK ,
,
dy
dpqDWJ pNBp 2)(
非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(4)
54
NBpPPnPnNBNBp
NBpPnCNB
LnDLpDq
LLJpp
,,0,,,0,
,,0,0
0
JC0 (at WSC=0)の導出(低コレクタ電圧)
N-バッファ領域内の正孔密度(N-バッファ領域:低レベル注入)
NBpLyepyp ,
0)(
(P+ コレクタとN-バッファ界面→ y=0)
0,
,
01 PNP
PNPB
C
JJ
0,,,,0,,0, BaseNTBufferNTSETSEPNP
NBpNB
NBpNB
LW
CE
LW
CE
Np
NBp
BufferNT eJ
eJ
yJ
WJ,
,
)(
)(,
)(
)(0,,
NBp
Np
BaseNTWJ
WJ
CAS
pn
n
pn
p
NBp JKWJ
)(
C
aN
AS
pn
n
pn
p
Np JLW
KWJ
cosh)(
非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布(5)
55
非対称IGBTの電界とキャリア分布(パンチスルー後)
N-ベース
P+
J1
コレクタ
SCp
0p キャリア 密度
AENp
y
電界
)( Pyn
mE
Pn ,0
(Log)
NW
DN
J2
空間電荷領域
CIEI
SCW
SCn
エミッタ
0
N-バッファ
NBDN ,
P+
NBW
y
WNBp
1E+13
1E+14
1E+15
1E+16
1E+17
0 20 40 60 80 100
Ho
le C
arri
er D
ensi
ty (
cm-3
)
Distance (μm)
μm 100NW
319 cm101 AEN
μm 10NBW
313cm105 DN317 cm101 NBN
非対称IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布
100
(V) CV
400200
800
600
N-バッファ層 J1 J2
μm 30CellW μm 5.1CHL
V 5THV
78.0, SE 16.0, bufferNT
(N- ベース領域) μs 2HL
DN
SCp
V 5.6GV
85.00,, BaseNT
2
, A/cm 153PNPBJ
11.00, PNP
2
0 A/cm 171CJ314 cm 101.1 SCp 313 cm 105.9 SCn 316
0 cm 106.7 p
非対称型IGBTの出力特性(1)
56
nSCNPT BVVM
1
1
M
VJVJVVJ
PNPTSE
GPNPB
PNP
GPNPB
CGC
,,
,,
1
)(
1
)(),(
43131024.5
SCSCDSC npNBV 5n
コレクタ電流密度の VG, VC 依存性
)(
)(,
NBp
SCNp
BaseNTWJ
WWJ
αT,N-base: VC 依存性(パンチスルー前) 1(パンチスルー後)
BVSC: 平型 P+-N接合アバランシェ・ブレークダウン電圧
2
22
S
NSCSCD
N
C
D
SNPT
WnpNq
W
V
qNV
C
aSCN
AS
pn
n
pn
p
SCNp JLWW
KWWJ
cosh)(
γE,S: 電圧依存性なし
BaseNTBufferNTPNPT ,,,
αT,N-Buffer: 電圧依存性なし
M : VC 依存性あり ≒1(パンチスルー前)
0
200
400
600
800
1000
0 200 400 600 800 1000Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Collector Voltage (V)
非対称型IGBTの出力特性(2)
57
非対称型IGBTの出力特性
V 5.7GV
V 5.6GV
V 0.7GV
V 0.6GV
V 0.8GV
μm 100NW
319 cm101 AEN
μm 10NBW
313cm105 DN
317 cm101 NBN
μm 30CellW μm 5.1CHL
V 5THV (N- ベース領域) μs 2HL
V 425 V, 2593 ,cm 1074.4 V, 0.6 313
PTSCSCG VBVpV
V 474 V, 2391 ,cm 1007.1 V, 5.6 314
PTSCSCG VBVpV
V 630 V, 1931 ,cm 1097.2 V, 5.7 314
PTSCSCG VBVpV
V 425 V, 2161 ,cm 1090.1 V, 0.7 314
PTSCSCG VBVpV
V 737 V, 1716 ,cm 1028.4 V, 0.8 314
PTSCSCG VBVpV
VG の上昇と伴にパンチスルー電圧 VPH の上昇は、 空間電荷領域内の正孔密度 pSC の上昇による。 ⇒コレクタ電圧の上昇に対し飽和コレクタ電流は 緩やかに上昇する。
非対称型IGBTの出力抵抗(1)
58
M
VJVJVVJ
PNPTSE
GPNPB
PNP
GPNPB
CGC
,,
,,
1
)(
1
)(),(
パンチスルー前⇒ コレクタ電流は αT,N-Base(VC)に依存(∵M≒1)
パンチスルー後⇒ コレクタ電流は M(VC)に依存(∵ αT,PNP(VC)=1)
コレクタ電流密度
BaseNTBufferNTPNPT ,,,
γE,S: 電圧依存性なし
αT,N-Buffer: 電圧依存性なし
CBaseNTPNPBBufferNTSE
BaseNTBufferNTSE
C
CSPO
dVdJdV
dJR
,,,,
2
,,,
1
,
1
パンチスルー前の特性出力抵抗 RO,SP
CSCSCD
S
aSCN
aSCN
pn
ASn
NBpa
C
C
BaseNT
VnpNqLWW
LWWK
WJL
J
dV
d
2cosh
tanh0,
0,,
C
LW
SENBpNBp JeWJWJ NBPNB
非対称型IGBTの出力抵抗(2)
59
nSCNPT BVVM
1
1
n
NPT
n
SCBufferNTSE
n
NPT
n
SCGPNPB
CGCVBV
VBVVJVVJ
,,
,
1
)(),(
CNPT
n
NPT
n
SCPNPBBufferNTSE
n
NPT
n
SCBufferNTSE
C
CSPO
dVdVVBVJn
VBV
dV
dJR
1
,,,
2
,,
1
,
1
S
NSCSCD
N
C
ND
S
C
NPT WnpNq
W
V
WqNdV
dV
2
パンチスルー後の特性出力抵抗
パンチスルー後の特性出力抵抗 RO,SP
非対称型IGBTの出力抵抗(3)
60
1E+01
1E+02
1E+03
1E+04
1E+05
0 200 400 600 800 1000Spec
ific
Ou
tpu
t R
esis
tan
ce (
Ωcm
2)
Collector Voltage (V)
μm 100NW
319 cm101 AEN
μm 10NBW
313cm105 DN
317 cm101 NBN
μm 30CellW μm 5.1CHL
V 5THV (N- ベース領域) μs 2HL5.75.6 0.7
V)(GV
0.8
非対称型IGBTの特性出力抵抗
0.6
低コレクタ電圧領域(パンチスルー前)でコレクタ電圧上昇 ⇒特性出力抵抗上昇(空間電荷領域拡大:αT,N-Base(VC)上昇)
高コレクタ電圧領域(パンチスルー後)でコレクタ電圧上昇 ⇒特性出力抵抗低下(キャリア増倍係数 M(VC) 増大)
スイッチング特性(ターンオン)(1)
61
ターンオン(フォワード・リカバリ)時 (電流立上り期間が再結合ライフタイムより短い場合) ⇒IGBTのドリフト領域で伝導度変調の発生なし ⇒電圧波形にオーバーシュート発生
n
n n
y
J
qt
n
1
ターンオン時にドリフト領域へ注入される過剰多数キャリア密度 δn
t1 t4 t3 t2 t6 t5
DCVPTI
MIDCV
TONV ,
t
モータ制御回路の中のターンオン・オフ時 のIGBTと整流器の電圧電流波形
y
nqDJ nn
tDy netAtyn4
)(),(
n
n
n
y
nD
t
n
2
2
2
2 ),(),(
y
tynD
t
tynn
∵仮定:ターンオンの期間 再結合なし
DCV
MIMI
t
DONV , DONV ,
PRI
IGBT
整流器 P+ コレクタとN-ベース接合 J1 ( y=0)で高レベル注入の場合
0
2)0(
y
nny
nqDJJ
tD
tAqDJ
n
n4
)(2
スイッチング特性(ターンオン)(2)
62
atJ
nDq
attA
23
)(
a: 定数(Ramp rate)
tDy
n
neDq
attyn
423
),(
),(),()(
tyntyq
dydyydR
n
0.0E+00
2.0E+15
4.0E+15
6.0E+15
8.0E+15
1.0E+16
1.2E+16
1.4E+16
1.6E+16
1.8E+16
2.0E+16
0 10 20 30 40 50Elec
tro
n C
arri
er C
on
cen
trat
ion
(cm
-3)
Distance (μm)
J1
対称IGBTフォワード・リカバリの間の電子密度分布
04
ns)(t
02 01
電流 Ramp rate= 129 sAcm 102 313 cm 105 DN
N-ベース長(ドリフト長)=200 μm
D
tDy
n
D NeDq
atNtyntyn n
423
),(),(
電子密度分布(ターンオン時線形に電流が上昇)
y における抵抗
NN W
n
W
BaseNtyntyq
dydRR
00 ),(),(
⇒ 解析的に解けない
スイッチング特性(ターンオン)(3)
63
N-ベース P+
電子密度
y
),0( tn
DN Nn 0
MN
My 0
NM: 伝導度変調電子密度
)0( MM yyNn
・伝導度変調領域の抵抗無視
伝導度変調領域の定義
・伝導度変調領域以外の領域の抵抗考慮
DMn
nMNNDq
attDty
23
ln4)(
ターンオン時のN-ベース抵抗を解析的に解く簡易方法
ND で決まる抵抗考慮
抵抗無視
・N-ベース(ドリフト)領域の電圧降下
)()()( tJtRtv FBaseND
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10 20 30 40Co
nd
uct
ance
Mo
du
late
d D
ista
nce
y M
(μ
m)
Time (ns)
スイッチング特性(ターンオン)(4)
64
313 cm 105 DN
314 cm 101 MN
91059102
9101
)s(Acm rate Ramp 12 a
対称型IGBTターンオン(フォワード・リカバリ)時における ドリフト領域の伝導度変調領域の成長
オン状態のコレクタ電流 = 100 A/cm2
Ramp rate 5×109 Acm-2s-1の場合 ⇒ t=20 nsで100 Acm-2に到達
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100
Forw
ard
Vo
ltag
e D
rop
(V
)
Time (ns)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 10 20 30 40
Spec
fic
Res
ista
nce
of
N-B
ase
Reg
ion
(Ω
cm2)
Time (ns)
スイッチング特性(ターンオン)(5)
65
対称型IGBTターンオン(フォワード・リカバリ)時における ドリフト領域の特性抵抗の時間変化
対称型IGBTターンオン(フォワード・リカバリ)時における ドリフト領域の順方向電圧降下の時間変化
9105
9102
9101
)s(Acm rate Ramp 12 a9105
9102
9101
)s(Acm rate Ramp 12 a
Ramp rate 5×109 Acm-2s-1の場合 ⇒ t=20 nsで100 Acm-2に到達
Ramp rate 2×109 Acm-2s-1の場合 ⇒ t=50 nsで100 Acm-2に到達
Ramp rateの上昇ともに電圧降下のピーク値も上昇
(この電圧降下のオーバーシュートは 少数キャリアのライフタイムには関係しない)
スイッチング特性(ターンオフ:無負荷の場合)
66
t
)(tvG
0
0
0
t
t
GSV
)(tvC
)(tiC
ONCi ,
ONCi ,1.0
DCi ,
ONV
0
0
0
OFFt
無負荷(IGBTに直接電源接続)
MOSFETチャネル電流遮断
電流テイル
⇒コレクタ電流テイル 時定数:非対称型IGBTの場合、N-バッファ層内の 再結合ライフタイムに依存(蓄積電荷の消滅)
0,
,
1 PNP
PNPB
C
II
MOSFETのチャネル電流 IB,PNP
(IGBT内部のPNPトランジスタのベース駆動電流) ⇒ ターンオフ時すぐに遮断
コレクタ電流 IC
(IGBT内部のPNPトランジスタのエミッタ電流) ⇒コレクタ電流瞬時低下
αPNP,0=γEαT: 低コレクタ電圧時のベース接地電流利得
0,, 1 PNPCPNPB II
瞬時低下後の IC
スイッチング特性(ターンオフ:抵抗負荷の場合)(1)
67
t
)(tvG
0
0
0
t
t
GSV
)(tvC
)(tiC
ONCI ,
ONCI ,1.0PTCI ,
CSV
0
0
0
OFFt
抵抗負荷
MOSFETチャネル電流遮断
電流テイル
PTt
ONV
空間電荷領域がN-バッファ層に パンチスルーするまでの領域
N-バッファ層内に残った蓄積電荷 がその層内で再結合により消滅
非対称IGBTの抵抗負荷ターンオフ特性
線型変化領域 線型変化領域
電流テイル領域(パンチスルー後)
スイッチング特性(ターンオフ:抵抗負荷の場合)(2)
68
N-ベース
P+
J1
コレクタ
ep
0p キャリア 密度
y
電界 mE
(線形)
NW
J2
空間 電荷 領域
CIEI
エミッタ
0
N-バッファ
P+
NBW
y
WNBp
SCW
伝導度 変調 領域
t
t
非対称IGBTターンオフ時抵抗負荷の 蓄積電荷と電界分布
仮定1: (1) N-ベース領域内の再結合を無視, (2) 空間電荷領域端で正孔密度≒0, (3) 空間電荷領域幅≒0
N
WNBW
ypyp 1)(
N-ベース領域内の正孔密度(オン状態)
仮定2:ターンオフ過程において、上記正孔密度分布は N-ベースの伝導度変調部分で変わらない。
空間電荷領域端の正孔密度(ターンオフ過程)
N
SCWNBe
W
tWptp
)()(
ターンオフ過程のコレクタ電流密度
dt
tdW
W
tWqp
dt
tdWtqptJ SC
N
SCWNB
SCeC
)()()()()(
(空間電荷領域拡張によって除去された電荷 ⇒ 電流に寄与)
スイッチング特性(ターンオフ:抵抗負荷の場合)(3)
69
)(
)(2)(
tpNq
tVtW
SCD
CSSC
psat
CSC
qv
tJtp
,
)()(
LCCSC RtJVtV )()(
ONC
CSL
J
VR
,
)(
)(2)(
,
,
tJvqN
RtJVvtW
CpsatD
LCCSpsatS
SC
LpsatSSC
SCpsatDCSpsatS
CRvW
WvqNVvtJ
,
2
2
,,
2
2)(
空間電荷領域幅
LpsatSSC
SCpsatDCSpsatSSC
N
SCWNB
RvW
WvqNVv
dt
tdW
W
tWqp
,
2
2
,,
2
2)()(
Rt
SC eKKtW
21)(
Rt
SC eKtW
1)( 1
2
,
,
DNpsat
LDpsatCSSWNB
RNWqv
RNqvVp
)(2
1 CSD
D
CSS VWqN
VK
空間電荷領域幅が満たす微分方程式
0)0( SCW
特性負荷抵抗
WSC(t) の増大の割合: 時間の増大とともに遅くなる。 ∵pe の増大と JC の低下
スイッチング特性(ターンオフ:抵抗負荷の場合)(4)
70
コレクタ電流密度の時間変化 (空間電荷領域がN-バッファ層にパンチスルーするまで有効)
LpsatD
t
CS
t
CSpsatD
C
RvqNeV
eVvqNtJ
R
R
,
2
2
,
1
11)(
NCSD
CSDRPT
WVW
VWt
)(
)(ln
パンチスルー時間 (空間電荷領域がN-バッファ層にパンチスルーするまでの時間)
⇒ JC(t) は VCS 依存
⇒ tPT は VCS 依存
LpsatSN
NpsatDCSpsatS
PTCRvW
WvqNVvJ
,
2
2
,,
,2
2
⇒ JC,PT は VCS 依存
NBpt
PTCC eJtJ ,0
,)(
τp0,NB: N-バッファ層内の少数キャリア・ライフタイム
N-バッファ層内へは電界が入り込まない。 低レベル注入
SNBD
Np
NBpNN ,
,0
,01
τp0,N: N-ベース領域内の少数キャリア・ライフタイム
NS: ライフタイム・スケール・ファクタ
ONC
PTC
NBpRoffJ
J
,
,
,0,1.0
ln
RoffPTOFF tt ,パンチスルー発生時点のコレクタ電流密度
パンチスルー発生後のコレクタ電流密度の時間変化
パンチスルー発生後からターンオフするまでの時間
(ターンオフ:オン状態のコレクタ電流JC,ON ⇒ 0.1JC,ON)
ターンオフ時間
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Time (ns)
スイッチング特性(ターンオフ:抵抗負荷の場合)(5)
71
)V(CSV
800
1000
600
317
, cm 101 NBDN
2
, A/cm 100ONCJ
μs 1,0 Np
μm 100NW
非対称IGBTの抵抗負荷ターンオフ時のコレクタ電流密度波形
PTCJ ,
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 対称型IGBTの場合(1)
72
t
)(tvG
0
0
0
t
t
GSV
)(tvC
)(tiC
ONCI ,
ONCI ,1.0
CSV
0
0
0
OFFIt ,
インダクタ負荷
MOSFETチャネル電流遮断
電流テイル
OFFVt ,
ONV
IGBTのインダクタ負荷ターンオフ特性
(1)第1フェーズ: ゲート・ターンオフ~コレクタ電圧がコレクタ供給電圧に到達
コレクタ電流 ⇒一定値で流れ続ける(∵インダクタ負荷) (MOSFETチャネル電流遮断→正孔電流がコレクタ電流に寄与)
コレクタ電圧 ⇒線形でコレクタ供給電圧(+ダイオード順方向電圧)まで上昇 (P-ベースとN-ベース接合(J2)における空間電荷がこの上昇電圧をサポート)
(2)第2フェーズ:コレクタ電圧がコレクタ供給電圧に到達後
コレクタ電流 ⇒IGBTからダイオードに移り、指数関数的に低下 (時定数はP+コレクタとN-ベース接合近傍のN-ベース 領域内にある蓄積電荷の再結合時間に依存)
コレクタ電圧 ⇒コレクタ供給電圧(+ダイオード順方向電圧)で一定
第1 フェーズ
第2フェーズ
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 対称型IGBTの場合(2)
73
N-ベース
P+
J1
コレクタ
ep
0p キャリア 密度
y
電界 mE
(線形)
NW
J2
空間 電荷 領域
CIEI
エミッタ
0
P+
y
SCW
伝導度 変調 領域
t
t
対称型IGBTターンオフ時インダクタ負荷の 蓄積電荷と電界分布
t
・N-ベース領域の再結合無視 ⇒N-ベース領域のキャリア(正孔)は線形分布 ・空間電荷幅≒0 ・空間電荷領域端でキャリア(正孔)密度≒0
NW
ypyp 1)( 0
オン状態
第1フェーズ ・N-ベース(伝導度変調)領域の上記正孔分布は変わらない
N
SCe
W
tWpyp
)()( 0
dt
tdW
W
tWqp
dt
tdWyqpJ SC
N
SCSCeONC
)()()()( 0,
空間電荷領域端の正孔密度
伝導度変調領域内の正孔密度分布
正孔電流密度
第2 フェーズ
第2 フェーズ
第1 フェーズ
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 対称型IGBTの場合(3)
74
空間電荷幅の時間変化(空間電荷幅≒0(at t=0))
0
,2)(
qp
tJWtW
ONCN
SC
空間電荷層によってサポートされるコレクタ電圧
S
SCSCDC
tWpNqtV
2
)()(
2
psat
ONC
SCqv
Jp
,
,
第1フェーズ
pSC: 一定(∵JC,ON 一定(第1フェーズ))
t
p
JpNWtV
S
ONCSCDN
C
0
,)(
⇒ コレクタ電圧は時間で線形に増大
ONCSCDN
CSSOFFV
JpNW
Vpt
,
0,
⇒ tV,OFF: VCS に比例
SCD
CSSOFFVSC
pNq
VtW
2)( ,
第1フェーズ終了後の空間電荷幅 第1フェーズの期間 NOFFVSC WtW )( ,
N-ベース領域の リーチスルーを 防ぐために必要
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 対称型IGBTの場合(4)
75
第2フェーズ(コレクタ電流はN-ベース領域内の再結合に依存)
HL
NN p
dt
pd
N-ベース領域における正孔の連続の式(拡散成分無視)
δpN: N-ベース領域内の過剰正孔密度
HLt
NN eptptp
0)()(
P+
J1
)()( tptn NN
CI
y
蓄積電荷
t
N-
t
空乏領域
AEC Np
),0( tnC
),( tynC
キャリア 密度 (対数)
対称型IGBTターンオフ第2フェーズのP+コレクタと N-ベース接合におけるキャリア密度分布
kTqV
C
N
N
C Cetn
tn
tp
p
),0(
)(
)(AE
N
AE
NNC
N
tp
N
tptntn
)()()(),0(
2
nELy
CC etntyn
),0(),(HLHL t
ONC
t
AEnE
nE
AEnE
NnE
nE
CnE
y
CnEC
eJeNL
tpqD
NL
tpqD
L
tnqD
y
tynqDtJ
2
,
22
0
2
0
)(
)(),0(),()(
J1 における電子・正孔密度の関係
N-ベース領域の正孔の再結合 ⇒ P+ コレクタ領域の電子電流
(低レベル注入)
0
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 対称型IGBTの場合(5)
76
コレクタ電流ターンオフ時間 (0.1×オン状態コレクタ電流に至る時間)
HLHL
OFFIt
15.1)10ln(2
,
(高レベルライフタイムのみに依存)
0
200
400
600
800
1000
1200
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10
Co
llect
or
Vo
ltag
e (V
)
Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Time (μs)
対称型IGBTのターンオフにおけるコレクタ電流と電圧
313 cm 105 DN
2
, A/cm 100ONCJ
μs 10HL
μm 200NW
317
0 cm1006.1 p
313cm1025.6 SCp
μs 5.11, OFFIt
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 非対称型IGBTの場合(1)
77
N-ベース
P+
J1
コレクタ
ep
0p キャリア 密度
y
電界 mE
(線形)
NW
J2
空間 電荷 領域
CIEI
エミッタ
0
P+
y
SCW
伝導度 変調 領域
t
t
非対称型IGBTターンオフ時インダクタ負荷の 蓄積電荷と電界分布
t
第2 フェーズ
第2 フェーズ
第1 フェーズ
N-バッファ
NBW
WNBp
・N-ベース領域の再結合無視 ⇒N-ベース領域のキャリア(正孔)は線形分布 ・空間電荷幅≒0 ・空間電荷領域端でキャリア(正孔)密度≒0
N
WNBW
ypyp 1)(
オン状態
第1フェーズ ・N-ベース(伝導度変調)領域の上記正孔分布は変わらない
N
SCWNBe
W
tWpyp
)()(
dt
tdW
W
tWqp
dt
tdWyqpJ SC
N
SCWNB
SCeONC
)()()()(,
空間電荷領域端の正孔密度
伝導度変調領域内の正孔密度分布
正孔電流密度
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 非対称型IGBTの場合(2)
78
空間電荷幅の時間変化(空間電荷幅≒0(at t=0))
WNB
ONCN
SCqp
tJWtW
,2)(
空間電荷層によってサポートされるコレクタ電圧
S
SCSCDC
tWpNqtV
2
)()(
2
psat
ONC
SCqv
Jp
,
,
第1フェーズ
pSC: 一定(∵JC,ON 一定(第1フェーズ))
t
p
JpNWtV
WNBS
ONCSCDN
C
,)( ⇒ コレクタ電圧は時間で線形に増大
ONCSCDN
CSWNBSOFFV
JpNW
Vpt
,
,
⇒ tV,OFF: VCS に比例
SCD
CSSOFFVSC
pNq
VtW
2)( ,
第1フェーズ終了後の空間電荷幅 第1フェーズの期間
NOFFVSC WtW )( ,
左式は上記の場合に成立
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 非対称型IGBTの場合(3)
79
第2フェーズ(コレクタ電流はN-バッファ領域内の再結合に依存)
NBp
NBNB p
dt
pd
,0
N-ベース領域における正孔の連続の式(拡散成分無視)
δpNB: N-バッファ領域内の過剰正孔密度
NBpt
NNNBNNB eyptyptyp ,0)(),(),(
kTqV
C
NB
NNB
C Cetn
n
typ
p
),0(),(AE
NNBNBD
CN
typNtn
),(),0(
,
nELy
CC etntyn
),0(),(NBpNBp t
ONC
t
AEnE
NNBDnE
AEnE
NNBNBDnE
nE
CnE
y
CnEC
eJeNL
ypNqD
NL
typNqD
L
tnqD
y
tynqDtJ
,0,0
,
,
,
0
)(
),(),0(),()(
J1 における電子・正孔密度の関係
N-バッファ領域の正孔の再結合 ⇒ P+ コレクタ領域の電子電流
(低レベル注入)
P+
J1
NBDNB Nn ,
CI
y
蓄積電荷
t
N-バッファ層
t
空乏領域
AEC Np
),0( tnC
),( tynC
キャリア 密度 (対数)
非対称型IGBTターンオフ第2フェーズのP+コレクタと N-ベース接合におけるキャリア密度分布
)(tpNB
0Ny
スイッチング特性(ターンオフ:インダクタ負荷の場合): 非対称型IGBTの場合(4)
80
コレクタ電流ターンオフ時間 (0.1×オン状態コレクタ電流に至る時間)
NBpNBpOFFIt ,0,0, 3.2)10ln(
(N-バッファ領域の少数キャリアライフタイムのみに依存)
313 cm 105 DN
2
, A/cm 100ONCJ
μs 1.0,0 NBp
μm 100NW
316 cm1027.1
WNBp313cm1025.6 SCp
μs 23.0, OFFIt
317 cm 101 NBN0
200
400
600
800
1000
1200
0
20
40
60
80
100
120
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Co
llect
or
Vo
ltag
e (V
)
Co
llect
or
Cu
rren
t D
ensi
ty (
A/c
m2)
Time (μs)
非対称型IGBTのターンオフにおけるコレクタ電流と電圧
μm 10NBW
μs 2HL (N-ベース領域)
ターンオフ期間のエネルギー損失
81
t
0
0
0
t
t
)(tvC
)(tiC
ONCI ,
ONV
CSV
0
0
0
)(tpOFFVE ,
OFFIE ,
0
, )( dttJVE CCSOFFIOFFVCSONCOFFV tVJE ,,,2
1
OFFt
ONCC eJtJ
,)(
対称型IGBT
非対称型IGBT
ターンオフ期間のエネルギー損失
第1フェーズ
第2フェーズ
第1フェーズ 第2フェーズ
2
,
,,,
BaseNHL
CSONCOFFCSONCOFFI VJVJE
BufferNpCSONCOFFCSONCOFFI VJVJE ,0,,, OFFt
ONCC eJtJ
,)(
第2フェーズ
ターンオフ期間のエネルギー損失比較
82
2
, A/cm 100ONCJインダクタ負荷 V 800CSV
構造 tV,OFF
(μs)
EV,OFF
(mJ/cm2)
tI,OFF
(μs)
EI,OFF
(mJ/cm2)
EOFF
(mJ/cm2)
対称型IGBT 0.390 15.6 11.5 400 416
非対称型IGBT 0.094 3.8 0.23 8.0 11.8
パワー損失の最適化
83
対称型IGBTの1周期当たりのターンオフ・エネルギー損失 とオン状態の電圧降下のトレードオフ
0
100
200
300
400
500
0 2 4 6 8 10
Turn
-off
En
ergy
Lo
ss p
er C
ycle
(m
J/cm
2)
On-state Voltage Drop (V)
ブロッキング電圧:1200V対応 μm 200NW ブロッキング電圧:1200V対応
0
10
20
30
40
50
0 2 4 6 8 10
Turn
-off
En
ergy
Lo
ss p
er C
ycle
(m
J/cm
2)
On-state Voltage Drop (V)
μm 100NW
非対称型IGBTの1周期当たりのターンオフ・エネルギー損失 とオン状態の電圧降下のトレードオフ
μm 10NBW
ターンオフとオン状態の損失 ⇒ トレードオフ関係(IGBT内部構造に依存)
ターンオン損失 ⇒ フライバック・ダイオードの逆回復特性に依存
低周波スイッチング動作 ⇒ オン状態損失増大
高周波スイッチング動作 ⇒ ターンオフ損失増大
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