在電機驅動和電器控制等眾多工業領域中，絕緣柵雙極型（IGBT）憑借其低損耗的優勢得到了廣泛應用。然而，IGBT 在短路時可能會出現短路振蕩（SCOs）現象，這會大幅降低其抗短路能力。若振蕩幅度過大且短路振蕩的 VCE 電壓范圍過寬，還可能引發電磁干擾（EMI）危害。因此，深入研究并優化 IGBT 在短路條件下的 SCOs 顯得尤為重要。

一般來說，IGBT 元胞的設計對 SCOs 的影響相對較小，而不同的背面 FS 層和 P + 發射極設計會改變 IGBT 的 pnp 晶體管的雙極電流增益系數 αpnp，對 IGBT 的 SCOs 影響較為顯著，可通過優化背面設計來避免 SCOs 的發生。

假設器件的結溫（TJ）保持恒定，所需的柵極驅動電壓為 VGE。在 VGE = 15V、TJ = 301K 的條件下，1200V IGBT 的輸出特性曲線如圖 1 所示。當輸出曲線 VCE = 300V 和 500V 時，IGBT cell 部分區域（10um - 110um）的電場強度和載流子密度的垂直分布情況如圖 2 所示。圖中包含準等離子體區、空間電荷區和等離子體區三個特征區域。FS 區域在的高電場強度是由于漂移區存在負效電荷導致，在當前分析中暫時無需考慮。

圖 1 VGE = 15V，TJ = 301K 下，1200V IGBT 的輸出特性曲線（VCE = 300 V (紅色)，VCE = 500 V (黑色)）

圖 2 VCE = 300V (紅色)，VCE = 500V (黑色) 時，圖 1 中輸出特性曲線中電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布示意圖

利用 TCAD 對圖 3 所示的電路進行 SCOs 工況仿真，結果如圖 4 所示。從圖 4 標注的五個時間點的垂直電荷載流子密度分布（圖 5）可以看出，在 t1 到 t3 之間，電子和空穴基本上存儲于器件內部。在 t2 到 t3 之間，電荷 - 載流子 - 等離子體浪涌逐漸形成并向前推進，大約在 t5 時刻到達 FS 區域，浪涌處會釋放出電子和空穴。這種在器件內部周期性存儲和釋放電荷載流子以及電場強度分布的周期性變化，正是高頻短路振蕩發生的根本原因。

圖 3 IGBT 瞬態短路 TCAD 仿真電路
圖 4 TJ = 301K，RG = 0Ω，Lσ = LG = LE = 0H，VGE = 15V 時，VDC 分別為 300V 和 500V 下的集電極電流的瞬態仿真示意圖（紅色為 300V，黑色為 500V）

圖 5 所示放大區域中不同時刻電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況及相應的準穩態分布（灰色）

從輸出特性來看，溝道電流 ICH 通常在相對較低的 VCE 時達到飽和，而空穴電流則從低 VCE 到高 VCE 逐漸增加。這是因為集電極側高場區域的擴展隨 VCE 增大而增大，導致 p 型發射極前方的等離子體區域變小且等離子體梯度增大。因此，集電極處注入的空穴電流 IC,pnp 和 αpnp 增加。沿著輸出特性曲線，SCOs 從較低的 VCE 開始出現，并隨著 VCE 和 αpnp 的增加而終消失。αpnp 可以用公式 αpnp = (IC - ICH) / IC = IC,pnp / IC 計算。

下面進一步分析不同因素對 SCOs 的影響：

• p 型發射極劑量的影響：當 VG = 15V 且 TJ = 301K 時，不同 p 型發射極劑量的輸出特性如圖 6 所示。發射極劑量對空穴注入和 αpnp 的影響在 VCE = 250V 之前為顯著。圖 7 比較了 VCE = 200V 時漂移區的電場強度和電荷載流子密度的垂直分布。提高 p 型發射極劑量，p 型發射極前方剩余等離子體的范圍和水平增加；在 FS 前的漂移區中，電場強度略有增加，在 FS 區域中則略有降低。從圖 8 中 αpnp 和集電極電流 peak - to - peak 幅度的計算值可以看出，隨著 p 型發射極劑量和 αpnp 的增加，SCOs 發生的電壓范圍和振蕩幅度都會減小。
  

  

  
  圖 6 VGE = 15V 且 TJ = 301K 時的不同 P 型發射極劑量 dpem 的輸出特性（dpem1 (黑色)，2?dpem1 (藍色) 和 5?dpem1 (紅色)。
  15V 且 TJ = 301K 時，不同 p 型發射極劑量 dpem 電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況
  ![不同 p 型發射極劑量下的 peak - to - peak - 集電極幅值
  基于圖 6 計算得出的 αpnp，直流電壓為 50V 至 700V 范圍內，不同 p 型發射極劑量 dpem 下的 peak - to - peak - 集電極幅值
• FS 層劑量的影響：當 VG = 15V 且 TJ = 301K 時，不同 FS 層劑量下的輸出特性如圖 9 所示。在 VCE > 50V 時，FS 層劑量對空穴注入以及對 αpnp 的影響顯著。圖 10 比較了 VCE = 200V 時漂移區的電場強度和電荷載流子密度的垂直分布。降低 FS 層的劑量，p 型發射極前方剩余等離子體的范圍減小。圖 11 給出了 αpnp 以及集電極電流的振蕩幅度。隨著 FS 層劑量的降低和 αpnp 的增加，SCOs 出現的 VDC 范圍向更低的電壓側移動，同時 SCOs 的 VDC 電壓范圍和集電極電流的振蕩幅度都在減小。
  

  

  
  圖 9 E = 15V 且 TJ = 301K 時不同 FS 層劑量 dfs 的輸出特性（dfs1 (黑色)，0.8?dfs1 (藍色) 和 0.6?dfs1 (紅色)）
  

  

  
  圖 10 VCE = 200 V，VGE = 15V 且 TJ = 301K 時，不同場截斷劑量 dfs 下電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況
  圖 11 基于圖 9 計算得出的 αpnp，VDC 電壓為 50V 至 700V 范圍內 VGE = 15V 且 TJ = 301K 時不同場截劑量 dfs 下的 peak - to - peak - 集電極幅值
• 結溫的影響：當 VGE = 15V 且 TJ 不同時，輸出特性如圖 12 所示。溫度的變化會同時影響空穴電流和溝道電流。圖 13 比較了 VCE = 200V 時漂移區電場強度和電荷載流子密度的垂直分布。p 型發射極前方剩余等離子體區域的范圍隨著結溫的升高而減小。從圖 14 可以看出，不僅 SCOs VDC 電壓的范圍及振幅隨 TJ 的變化降低，而且在較低 VCE 時 αpnp 也會隨著 TJ 的變化而降低。這可能是由于隨著 TJ 的增加，電荷載流子遷移率降低所導致的。
  

  

  
  圖 12 VGE = 15V 時不同結溫 TJ 輸出特性（TJ = 240K (藍色)，TJ = 301K (黑色)，TJ = 450K (紅色)
  

  

  
  圖 13 VCE = 200V，VGE = 15V 下，不同結溫 TJ 下電場強度、電子（實線）和空穴（虛線）密度的垂直分布情況
  圖 14 基于圖 9 計算得出的 αpnp，VDC 電壓為 50V 至 700V 范圍內 VGE = 15V 情況下不同結溫 TJ 下的 peak - to - peak - 集電極幅值