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浅析IGBT中的MOS结构—Rds(on)

冬至子 来源:橘子说IGBT 作者:orange 2023-11-29 15:09 次阅读

在推导MOS的IV特性时,我们通过建立了电阻R和电压V之间的关系,从而消除欧姆定律中的电阻R,得到电流与电压之间的关系,但这里所讨论的电阻仅仅是沟道电阻。

对于IGBT中的MOS结构而言,其电阻不仅包括沟道电阻,还包括N-base区域的体电阻。

图片

回顾图片表达式如下,

图片

MOS正常工作状态下, 图片,可以忽略上式右边第二项,于是沟道部分的电阻可表达为,

图片

假设如图所示,沟槽之间的MESA宽度为图片,沟槽的宽度为图片,那么对于周期性排布的MOS结构来说,其方阻(电阻乘以面积,即图片)为:

图片

对于N-base区域的体电阻计算,可以做一个简化的推导,简化条件为:

1.电子从MOS沟道注入后,积累在沟槽栅氧的外侧;

2.电子到达沟槽底部后再向下扩散;

3.电子在N-base区域以45°角向背面扩散;

4.扩散路径中各处电子浓度、迁移率相同,即N-base中具有相同的电阻率图片

图片

这里对这几个简化条件的合理性做一个说明:

1.因为MOS工作过程中,栅极持续施加正电压,因此靠近栅氧的半导体能带被电子占有的概率更高,所以从源极注入的电子更倾向于在栅氧表面积累;

2.沟道底部距离沟槽底部之间的区域相较整个N-base区域而言,电阻占比很小,计算中可以忽略;

3.稳态工作下,器件内部处于电中性状态,因此内部电场基本可以忽略,电流由扩散电流主导;

4.扩散运动的绝大部分电子分布在45°角的范围内。

根据电阻的表达式:图片,其中L为电路路径方向的长度,S为电流路径的截面积。显然,可以将体电阻划分为A和B两个区域,A区域为一个等腰梯形,B区域为一个长方形。

A区域的电阻对梯形积分即可计算得到,

图片

B区域的电阻即长方形的面积,

图片

所以,N-base总电阻即将图片相加而得,

图片

与沟道电阻的方阻计算相似,将图片乘以面积图片即可得到N-base的方阻,并将乘积整理成,

图片

将沟道电阻与N-base电阻相加,即得到MOS的总电阻Rds(on)方阻,

图片

至此,我们就基本完成了对IGBT中MOS结构的静态工作机理分析。

举例,对于一个MOS,其相关参数设计如下,mesa宽度为4图片,沟槽宽度为1.5图片沟槽深度为3图片,栅氧厚度为100图片,沟道内的电子迁移率图片,N-base内的电子迁移率图片,假设在栅极施加电压为10V的条件下,其N-base内的电子浓度为1e16 图片计算芯片厚度从10图片增加到100图片,沟道电阻在整体电阻中的占比。

图片

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