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功率半导体器件原理分析:PN BJT MOSFET IGBT

时间:2024-03-23 20:29:24

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功率半导体器件原理分析:PN BJT MOSFET IGBT

一、PN结各项参数对阈值电压的影响

1.改变掺杂浓度对PN二极管的影响

2.改变P区和N区的厚度对PN二极管的影响

3.pn结器件加n+衬底的原因

降低成本

降低接触电阻

降低导通电压

在获得同等击穿电压的条件下,厚度更薄

二、BJT各项参数对电流增益的影响

1.P基区掺杂浓度

基区浓度越大,在同等Ib的情况下,吸引发射区扩散到基区的电子就越容易在基区发生复合,导致扩散到集电区过的电子就越少,于是Ic减小,电流增益减小。

2.P基区厚度

基区厚度越薄,发射区过来的电子就更容易被集电区收走,在基区复合的机会就减小了,于是Ic就会增大,电流增益增大。

3.N+发射区的掺杂浓度

发射区浓度越高,基区扩散到发射区与电子复合的空穴越多,在相等ib条件下,作用在发射区的Ib就会越大,于是会吸引更多的电子到集电区,于是由ic/ib电流增益增大。

4.N+发射区的宽度

发射区宽度越大,在同等面积硅片条件下,晶胞面积就会越大,于是一整块芯片的晶胞数量就会减少,有源区的利用率越低,于是Ic越小,同时发射区的横向电阻也会越大,导致电流集边效应曾大,导致Ic减小,于是电流增益减小。

三、MOSFET各项参数对阈值电压的影响

1.门极掺杂浓度

在衬底上表面产生反型层, 必须施加能够将表面耗尽并且形成衬底少数载流子积累的门极电压, 这个电压大小及衬底掺杂浓度有直接关系。衬底掺杂浓度 (qb)越低,多数载流子浓度也越低,使衬底表面形成反型层所需电压 vgs 越小,反之,阈值电压则增大。

2.氧化层厚度

氧化层的厚度增加,直接就会影响门极对基区少子的电场力,电场削弱,则更不容易形成反型层,因此开启阈值电压会增大。反之,电场更强,对少子吸引力增加,更容易形成反型层,阈值电压减小。

3.沟道宽度(ratio扩散程度)

增加沟道的宽度,因此需要吸引更多的少子以形成强反型层,开启沟道需要更大的门极电压,因此阈值电压会增大,相反,减小ratio的值沟道的宽度,在减小到大约3um的时候,则会引发短沟道效应,使阈值电压减小,沟道提前开启。

四、IGBT各项参数对阈值电压的影响

1.随着P区掺杂浓度增加,阈值电压上升,为什么?

答:要在衬底上表面产生反型层,必须施加能够将表面耗尽并且形成衬底少数载流子积累的门极电压, 这个电压大小及衬底掺杂浓度有直接关系。衬底掺杂浓度越低,多数载流子浓度也越低,使衬底表面形成反型层所需电压 vgs 越小,反之,阈值电压则增大。

2.随着沟道长度的增加,阈值电压上升,为什么?

答:增大ratio的值,会在一定程度上增加沟道的宽度,要形成反型层需要更多的吸引更多的电子,因此需要更大的门极电压,因此阈值电压会增大。

五、IGBT各项参数对导通压降的影响

1.随着N-区漂移区掺杂浓度的增加,PT-IGBT的正向导通压降下降,为什么?

答:提高N-区的掺杂浓度,会降低漂移区的电阻,因此正向导通电阻下降。

2.随着沟道长度的增加,阈值电压上升,为什么?

答:增大ratio的值,会在一定程度上增加沟道的宽度,要形成反型层需要更多的吸引更多的电子,因此需要更大的门极电压,因此阈值电压会增大。

3.随着P区掺杂浓度增加,正向导通压降上升,为什么?

答:P+区浓度越高,形成强反型沟道就需要越高的门极电压,假设沟道处于开启状态,因此在同等的门极电压下掺杂浓度越高,形成的强反型层浓度就越低,进而导致沟道的电阻就越高,因此导致正向导通压降升高。

六、IGBT各项参数对击穿电压的影响

1.随着N-漂移区掺杂浓度的增加,PT-IGBT的正向阻断电压下降,为什么?

答:N-区浓度增加,导致在基区的载流子增多,于是当阻断时施加电压更容易发生雪崩击穿,因此击穿电压下降。

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