上一節(jié)講到了根據(jù)PIN1的邊界條件求解系數(shù)和
,下面根據(jù)PIN2的邊界條件求解系數(shù)
和
首先,陽(yáng)極側(cè)的邊界條件與PIN1相同,即陽(yáng)極電子電流為0,即
;
其次,陰極側(cè)的邊界條件與PIN1不同,陰極側(cè)因PN結(jié)反偏,空穴濃度為0,即
。
(這里需要注意的是,載流子電流為零并不意味著載流子濃度為零,反之亦然。對(duì)于PIN1結(jié)構(gòu),因?yàn)殛?yáng)極和陰極的多子濃度遠(yuǎn)大于少子濃度,所以可以忽略少子電流;對(duì)于PIN2結(jié)構(gòu),因?yàn)殛帢OPN結(jié)反偏的緣故,載流子被耗盡,所以濃度為零,但因電場(chǎng)和濃度差的存在,電流卻不為零。)
將上述兩個(gè)邊界條件帶入的通解表達(dá)式,即可得到系數(shù)
和
電流密度
之間的關(guān)系如下:
將和
帶入
的通解表達(dá)式,整理后便得到PIN2的濃度分布:
同理,假設(shè)載流子壽命為1,芯片厚度為100
,電流密度為
時(shí),載流子濃度如圖所示。顯然,陽(yáng)極(集電極)區(qū)域載流子濃度最高,在N-drift區(qū)域逐漸降低,直至到0。
對(duì)應(yīng)IGBT結(jié)構(gòu)(如圖虛線區(qū)域順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°),陰極區(qū)域?qū)?yīng)p-base基區(qū),即載流子到達(dá)基區(qū)底部時(shí),其濃度會(huì)降低至0,所以基區(qū)底部是沒(méi)有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員也會(huì)通過(guò)一些技術(shù)手段來(lái)增強(qiáng)這個(gè)區(qū)域載流子的濃度。當(dāng)然,這也會(huì)對(duì)其他參數(shù)造成影響,如擊穿電壓等,設(shè)計(jì)中需要綜合考慮。
把PIN1和PIN2的載流子濃度分布繪到一起如圖所示,可以清晰地看出IGBT紅色陰影部分的載流子濃度是很低的。
同時(shí),從濃度分布曲線上還可以發(fā)現(xiàn)其他一些現(xiàn)象:
集電極的載流子濃度并非均勻分布,PIN1區(qū)域的濃度要略高于PIN2區(qū)域??紤]到實(shí)際加工過(guò)程中,集電極的濃度是相同的,又因?yàn)榧姌O側(cè)的電子電流為0,這就意味著PIN1區(qū)域的空穴注入效率要高于PIN2區(qū)域;
因?yàn)闄M向載流子濃度的不同,所以在IGBT內(nèi)部一定會(huì)形成橫向的擴(kuò)散電流,在靠近集電極一側(cè),橫向擴(kuò)散自PIN1區(qū)域向PIN2方向,在靠近p-base基區(qū)一側(cè),橫向擴(kuò)散自PIN2區(qū)域向PIN1區(qū)域。
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