沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型

海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员汪波、罗毅飞、刘宾礼、普靖，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文指出，沟槽栅场终止型代表了绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的最新结构。由于沟槽栅结构与平面栅结构在基区载流子输运、栅极结电容计算等方面存在较大的不同，沿用平面栅结构的建模方法不可避免会存在较大的偏差。

基于对沟槽栅场终止型IGBT结构特点及模型坐标系的分析，考虑载流子二维效应将基区分成PNP和PIN两部分，根据PIN部分的沟槽栅能否被PNP部分的耗尽层覆盖分析了栅极结电容计算方法，提出一种沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型，并进行仿真与实验验证。

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是一种综合了功率场效应晶体管（MOSFET）和双极结型晶体管（Bipolar JunctionTransistor, BJT）结构的复合器件，并同时吸收了二者的优点[1,2]，是各种中、大功率电力电子装置中应用最为广泛的全控型电力电子器件[3]。

随着功率半导体器件设计水平和制造工艺的不断改进，IGBT芯片内部结构从早期的平面栅（Plane Gate, PG）非穿通型（Non PunchThrougn, NPT）、穿通型（PT）到沟槽栅（Trench Gate, TG）场终止型（Field Stop, FS）[4]。这种沟槽栅场终止型IGBT吸收了前几代IGBT的优点，又采用一些新结构和新技术，其耐压能力、导通电流能力、通态压降和开关损耗等性能指标都得到了显著的提升，具有优异的综合性能，代表了最新的功率半导体结构与制造技术[5,6]。

IGBT仿真模型作为对器件结构设计、参数优化、性能分析以及指导工程应用的一个重要工具，一直是研究的热点。根据不同的应用目标，模型的建立方法、仿真精度和运算复杂程度也各不相同，总体来说，已有模型可归纳为行为模型、数值模型、数学模型和混合模型四种[7-10]。

其中数学模型基于IGBT内部物理结构和工作机理，采用半导体物理学方法来建立模型，也称为“物理模型”，根据仿真精度的要求，通过对IGBT实际工作过程进行合理的简化和近似，在仿真精度和计算量之间取得较好的折中，便于一般电路仿真软件实现。

自20世纪80年代IGBT问世以来，已有许多文献针对IGBT数学模型开展了相关研究，早期的平面栅结构模型理论已经比较成熟[11,12]。最具代表性的Hefner模型采用基区载流子双极输运、非准静态近似、瞬态载流子线性分布等理论对平面栅NPT和PT结构的稳态、瞬态数学模型都开展了研究[13,14]，现有IGBT数学模型基本都是在此模型基础上发展而来。

然而，Hefner模型对于基区过剩载流子分布只做了一维近似，对于新出现的沟槽栅极结构变化带来的二维分布影响研究较少。Udrea F等针对沟槽栅极结构的IGBT提出了一种载流子二维分布的计算方法[15,16]，盛况提出了一种完整的二维通态模型[17]，推进了沟槽栅结构的研究，但未形成系统性的数学模型。国内专门针对沟槽栅型IGBT数学模型的研究报道并不多见。

本文基于沟槽栅场终止型IGBT结构特点及模型分析坐标系，通过对基区分成PNP和PIN两部分考虑瞬态过程中载流子的二维效应，根据PIN部分的沟槽栅能否被PNP部分的耗尽层覆盖分别对基区电流、栅极结电容等瞬态特性进行分析，建立了沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型，并进行了仿真与实验验证。

图1 两种典型结构IGBT示意图

结论

对比传统平面栅结构建模，本文在沟槽栅场终止型结构建模过程中创新点体现在如下两点：

1）根据沟槽栅结构中基区载流子运动特点，将基区分成PNP和PIN两部分，然后根据PNP部分的耗尽层能否覆盖PIN部分的沟槽分两种情况对基区和FS层进行建模，体现了沟槽栅结构特点。

2）根据基区PNP部分的耗尽层能否覆盖PIN部分的沟槽分两种情况分析了栅极结电容的计算方法。