彭朝飛，陳萬(wàn)軍，孫瑞澤，阮建新，張 波

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054）

1 引言

組合式絕緣柵雙極晶體管（Clustered IGBT，簡(jiǎn)稱為CIGBT）作為一種改進(jìn)的IGBT器件，具有類似晶閘管的正向工作模式，從而減小了器件的正向壓降[1～2]，而且獨(dú)特的自鉗位特性使得其具有正向電流飽和能力，從而提高了器件的安全工作區(qū)[3]。相比于傳統(tǒng)IGBT器件，其在高壓大功率應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

而柵控晶閘管（MCT）作為最早提出的MOS控制晶閘管器件之一，具有極低的正向壓降和極高的電流上升率，在脈沖功率應(yīng)用中具有非常好的性能，而且一度被認(rèn)為是最理想的功率半導(dǎo)體器件[4～5]。由于CIGBT與MCT在器件結(jié)構(gòu)和工作原理上有很多相似之處，而對(duì)這兩種器件在大功率應(yīng)用中的比較研究還鮮有報(bào)道，因此本文對(duì)這兩種器件在大功率環(huán)境下的電學(xué)特性進(jìn)行了比較研究。

2 器件結(jié)構(gòu)及靜態(tài)特性

CIGBT和MCT的器件結(jié)構(gòu)以及等效電路圖如圖1所示，本文采用新思科技公司的MEDICI軟件作為仿真環(huán)境，兩個(gè)器件的耐壓等級(jí)均為3 300 V。器件的靜態(tài)I-V特性如圖2所示，從圖中可以看出，在集電極電壓相同時(shí)，MCT具有更高的電流密度，這是由于在相同的集電極電壓下，MCT具有更劇烈的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得器件漂移區(qū)產(chǎn)生更高的載流子密度，另外正向?qū)ê驝IGBT的電流受正面NMOS溝道的束縛，而MCT不存在這種限制。當(dāng)電流密度為50 A·cm-2時(shí)，MCT和CIGBT的正向壓降分別為1.3 V和2.6 V，并且都表現(xiàn)出正的溫度系數(shù)。

圖1 MCT和CIGBT的器件結(jié)構(gòu)和等效電路圖

實(shí)際上，MCT和CIGBT的集電極電流可以表達(dá)為：

其中，公式（1）中的Il表示MCT的勢(shì)壘區(qū)電流，公式（2）中的IMOS表示CIGBT等效電路中NMOS2中流過(guò)的電流。可以看出，MCT具有更容易實(shí)現(xiàn)的閂鎖條件，只需要使αNPN+αPNP趨近于1，而CIGBT則需要使αPNP1、αPNP2和αNPN都分別趨近于1。

兩種器件的輸出特性曲線如圖3所示，由于MCT開(kāi)啟后，柵極失去控制作用，所以各柵壓下輸出曲線重合在一起，而CIGBT具有典型的電流飽和特性，這使得它具有更大的短路安全工作區(qū)。

圖2 MCT與CIGBT在不同溫度下的I-V特性

圖3 MCT與CIGBT不同柵壓下的輸出特性曲線

3 關(guān)斷特性

由于在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，器件的關(guān)斷特性有著至關(guān)重要的作用，本文對(duì)這兩種器件在感性負(fù)載下的關(guān)斷特性進(jìn)行了仿真比較，得到了器件在不同條件下的關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷能量。仿真中采用如圖4所示的感性負(fù)載開(kāi)關(guān)電路，器件的有源區(qū)面積和少子壽命分別為1 cm2和20 μs。器件關(guān)斷波形如圖5所示。從圖中可以看出，MCT具有更長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間，MCT的關(guān)斷時(shí)間為2.5 μs，長(zhǎng)于CIGBT的1.7 μs。

其實(shí)，這兩種器件的關(guān)斷過(guò)程可以簡(jiǎn)單地分為兩個(gè)過(guò)程：集電極電壓上升過(guò)程和集電極電流下降過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程都與漂移區(qū)的載流子濃度密切相關(guān)。當(dāng)柵電極接地或者施加一個(gè)負(fù)電壓時(shí)，柵電容Cgs開(kāi)始通過(guò)柵電阻Rg進(jìn)行放電，同時(shí)柵電極電勢(shì)開(kāi)始降低，當(dāng)Vgs＜Vth時(shí)，柵下的導(dǎo)電溝道消失，集電極電壓開(kāi)始上升，同時(shí)伴隨著耗盡區(qū)的擴(kuò)展，這就是集電極電壓的上升過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，由于負(fù)載電感的存在，集電極電流幾乎保持不變。當(dāng)集電極電壓上升到等于線電壓后，由于寄生電感的作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓過(guò)沖，使得集電極電壓超過(guò)線電壓，這使得續(xù)流二極管導(dǎo)通，并開(kāi)始從負(fù)載電感中分流，此時(shí)器件的集電極電流開(kāi)始下降，同時(shí)伴隨著漂移區(qū)剩余載流子的衰減，這就是集電極電流的下降過(guò)程。剩余載流子通過(guò)復(fù)合和抽取兩種途徑衰減，其中復(fù)合起主要作用。

圖4 具有感性負(fù)載的開(kāi)關(guān)仿真電路

圖5 MCT和CIGBT在感性負(fù)載下的關(guān)斷波形

國(guó)際上一般把器件的關(guān)斷時(shí)間分為關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)和下降時(shí)間tf兩部分，這兩部分分別對(duì)應(yīng)于上文提到的集電極電壓上升過(guò)程和集電極電流下降過(guò)程。兩個(gè)器件在不同少子壽命下的td(off)和tf如圖6所示，在相同的少子壽命下，MCT具有更大的延遲時(shí)間和下降時(shí)間?？梢钥闯觯鄬?duì)于關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)，下降時(shí)間tf受少子壽命的影響更大。這是由于td(off)主要取決于柵電阻的大小以及耗盡區(qū)的擴(kuò)展速度，而tf主要取決于器件的少子壽命。在柵電阻確定時(shí)，造成二者td(off)差異的主要因素就是耗盡區(qū)的擴(kuò)展速度，即集電極電壓的上升速度dV/dt，dV/dt的大小主要取決于漂移區(qū)載流子的濃度，如公式（3）所示[5]。

式中，JA表示關(guān)斷過(guò)程中集電極電流密度，p0表示關(guān)斷時(shí)漂移區(qū)空穴載流子濃度，Ld表示漂移區(qū)厚度。由于兩個(gè)器件Ld相同，且關(guān)斷過(guò)程中JA基本相等，所以dV/dt主要決定于p0，圖7給出了關(guān)斷過(guò)程中不同時(shí)刻漂移區(qū)的載流子濃度。由于MCT的載流子濃度遠(yuǎn)高于CIGBT，所以它有更長(zhǎng)的關(guān)斷延遲時(shí)間，大約是其2.5倍。

下降時(shí)間tf取決于漂移區(qū)過(guò)剩載流子的濃度和襯底材料的少子壽命，當(dāng)材料少子壽命相同時(shí)，由于MCT剩余載流子濃度高于CIGBT，所以MCT有更大的下降時(shí)間tf。由于MCT關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，且拖尾電流較大，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)CIGBT更適于高頻應(yīng)用。

圖6 關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間隨少子壽命的變化情況

本文也針對(duì)不同電流密度下兩種器件的關(guān)斷能量Eoff進(jìn)行了仿真，得到的仿真結(jié)果如圖8所示。在小電流密度下，二者幾乎具有相同的Eoff，因?yàn)榇藭r(shí)漂移區(qū)載流子濃度沒(méi)有太大的差別。但是，在更高的關(guān)斷電流下，MCT的關(guān)斷能量幾乎是CIGBT的2倍，因?yàn)镸CT具有更強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而漂移區(qū)產(chǎn)生更多的過(guò)剩載流子，這大大提高了其關(guān)斷能量。圖9給出了不同頻率下單個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩個(gè)器件的總功耗，關(guān)斷電流都為100 A?？梢钥闯?，由于MCT具有極低的正向壓降，當(dāng)頻率低于1 kHz時(shí)，MCT具有更低的損耗。所以，MCT在頻率低于1 kHz的應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)，而CIGBT更適用于高頻應(yīng)用。

4 脈沖放電特性

功率半導(dǎo)體器件在脈沖放電領(lǐng)域也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此，本文對(duì)兩種器件的脈沖放電特性進(jìn)行了仿真，仿真電路如圖10所示，電源電壓為1 200 V。

圖7 MCT和CIGBT在關(guān)斷過(guò)程中不同時(shí)刻下漂移區(qū)

圖8 不同關(guān)斷電流下兩種器件的開(kāi)關(guān)損耗

圖11為兩種器件的脈沖放電波形，從圖中可以看出，MCT的峰值電流遠(yuǎn)高于CIGBT，并且具有更快的電流變化速率（dI/dt能力）。MCT的峰值電流為16 kA，是CIGBT的8倍，dI/dt值為124.2 kA/μs，是CIGBT的5倍。由于MCT開(kāi)啟后完全處于晶閘管導(dǎo)通模式，在脈沖放電過(guò)程中可以產(chǎn)生足夠的載流子，所以具有很大的峰值電流，并產(chǎn)生極高的dI/dt。而CIGBT雖然也工作在晶閘管模式，但是由于N-well的鉗位作用，正向電流具有飽和現(xiàn)象，從而限制了其能夠?qū)ǖ淖畲箅娏?，同時(shí)降低了dI/dt數(shù)值。

圖9 不同開(kāi)關(guān)頻率下兩種器件的開(kāi)關(guān)損耗

圖10 電容型脈沖放電測(cè)試電路

圖11 MCT與CIGBT的脈沖放電波形

圖12給出了在脈沖放電過(guò)程中不同時(shí)刻器件漂移區(qū)內(nèi)的載流子濃度，可以看出MCT的載流子濃度具有更快的變化速度，而且在電流上升過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。同時(shí)，由于器件兩端都產(chǎn)生了大注入效應(yīng)，使得漂移區(qū)產(chǎn)生劇烈的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。而對(duì)于CIGBT來(lái)說(shuō)，由于電子電流受MOS溝道的控制，載流子濃度在上升到一定程度后就出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象，限制了其電流變化率dI/dt。這就是兩個(gè)器件的脈沖放電能力產(chǎn)生差異的根本原因。所以，相對(duì)于CIGBT，MCT更適用于大功率脈沖放電應(yīng)用領(lǐng)域。

圖12 MCT與CIGBT在脈沖放電過(guò)程中不同時(shí)刻下的載流子濃度變化

5 結(jié)論

本文仿真比較了兩種應(yīng)用于大功率環(huán)境的半導(dǎo)體器件——CIGBT和MCT，它們晶閘管的正向工作模式，使得在高壓應(yīng)用時(shí)仍然具有較低的正向壓降，從而產(chǎn)生更低的功耗。感性負(fù)載的開(kāi)關(guān)電路仿真結(jié)果表明CIGBT具有更小的關(guān)斷時(shí)間和更低的關(guān)斷能量，但是由于MCT具有極低的正向壓降，因此，在頻率低于1 kHz的場(chǎng)合，MCT具有更低的總功耗。脈沖放電仿真結(jié)果顯示，得益于更強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，MCT具有更高的峰值電流和更強(qiáng)的dI/dt能力，分別是CIGBT的8倍和5倍，這使得MCT在大功率脈沖放電應(yīng)用場(chǎng)合表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

[1] M Sweet, O Spulber, J V Subhas, et al. Clustered insulated gate bipolar transistor: a new power semiconductor device[J]. IEE Proc.-Circuits Devices Syst, 2001, 148(2): 75-78.

[2] N Luther-King, E M S Narayanan, L Coulbeck, et al.Comparison of Trench Gate IGBT and CIGBT Devices for Increasing the Power Density from High Power Modules[J]. IEEE Trans. Power Electronics, 2010, 25(3): 583-591.

[3] A Balachandran, M Sweet, L Ngwendson, et al. Enhanced short-circuit performance of 3.3 kV Clustered Insulated Gate Bipolar Transistor (CIGBT) in NPT technology with RTA Anode [C]. Proceedings of the International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs.Bruges, Belgium, 2012: 169-172.

[4] V A K Temple. MOS-Controlled Thyristors-A New Class of Power Devices [J]. IEEE Trans. Electron Devices, 1986,33(10): 1609-1618.

[5] 唐國(guó)洪，陳德英，周健. 新型功率器件MCT的研究[J].半導(dǎo)體技術(shù), 1994, 2: 5-8.

[6] A Ramamurthy, S Sawant, B J Baliga. Modeling the [dV/dt] of the IGBT During Inductive Turn Off [J]. IEEE Trans.Power Electronics, 1999, 14(4): 601-606.