在動態關斷過程中，器件內部所發生的由電流控制的受自由載流子濃度影響的碰撞電離現象。以pin二極管結構為例，如圖1所示，反向恢復開始后，隨著過剩載流子的逐漸被抽取，pn結附近將形成空間電荷區。當等離子層（plasma層，即整體電中性的過剩電子—空穴對堆積區）中的空穴向陽極側（圖1左側）漂移經過空間電荷區時，n區耗盡層內的有效的空間正電荷密度Neff將增大，由Neff=ND（n區施主濃度）增至Neff=ND+p。其中，p為空穴濃度，在空間電荷區電場強度隨反壓增加不斷增強而使空穴漂移速度趨向于飽和時，可近似認為它與反向恢復電流密度j成簡單正比，即p=j/qvsat。取空穴飽和漂移速度vsat=1×1017cm/s，當j達到200A/cm2時，p=j/qvsat=1.6×1014cm3，而高壓二極管n基區ND通常為1013cm3量級。此時p值不僅不可忽視，而且在Neff中占主導地位，使其值大大增加。由泊松方程dE/dx=qNeff/ε可知，pn結附近電場梯度會顯著增加，在外加電壓vR相同的情況下，動態下的電場峰值（具體值由j和vR的瞬時值決定）將比靜態情況有顯著增加，更加接近甚至達到臨界擊穿場強。所以，此時發生雪崩碰撞電離的電壓臨界值將不再由n摻雜決定。電場峰值一旦達到臨界擊穿場強，雪崩碰撞電離就會提前發生，這就形成了動態雪崩。在高壓快恢復pin二極管、GTO、GCT、MCT和IGBT等雙極型器件中，都有可能發生動態雪崩現象。

按自由載流子濃度對碰撞電離影響程度的不同，劃分了三種程度的動態雪崩。當反向恢復電流密度不是很大時，PN結發生動態雪崩，電場梯度增加，電場峰值增強，此時電場分布形狀近似為圖1所示的直線型，稱之為一度動態雪崩。隨著反向恢復電流密度進一步增大，由于電子和空穴的運動方向不同，在空間電荷區內，等離子層抽取空穴（濃度為p）及pn結附近碰撞電離所產生的空穴和電子（濃度分別為pav和nav）富集在不同位置上，空間電荷區電場分布形狀隨之改變。如圖2所示，當反向電流密度為500A/cm2時電場為直線型分布，但當電流密度增大為1500A/cm2時，電場變為S型分布。隨著S型分布效應增強，電場E（x）所圍面積（即電壓）將會減小，從伏安特性上講此時二極管會進入負微分電阻區，稱之為二度動態雪崩。

IGBT中的動態雪崩，在基本原理上與pin二極管是一致的，但在具體說來，問題會更復雜些，這主要體現在以下幾個方面。

1.IGBT關斷時除了像二極管一樣有一個反偏的PN結（在發射極側，下圖左側，由p阱和n基區構成）之外，在集電極側（下圖右側），還存在一個正偏的pn結（由背P區和N基區構成）。這一方面使得等離子層消失過程就受限于電子的抽?。ê笳哂质芟抻谡硃n結注入效率）;另一方面，由于背pn結有空穴的注入，可以抵消電子向右流動時在nn結附近形成的負空間電荷，所以能有效地抑制nn結處的電場抬頭，就使得發生三度動態雪崩的可能性大為降低。從這個角度來說，IGBT的抗動態雪崩能力比起二極管來具有“先天”優勢。尤其是沒有下圖中n緩沖層且n區更厚的NPT-IGBT，由于IGBT不存在nn結，電場也不會穿通至背p區，所以很難發生三度動態雪崩。

2.IGBT在關斷過程的開始階段，在MOS溝道未徹底關斷之前（從vGE波形是否高于閾值電壓可大致判斷），會有電子從溝道注入到空間電荷區，對進入該區的空穴起到電荷補償作用，可暫時抑制集電極側pn結處的電場抬頭和動態雪崩。但溝道一旦關斷，在大電流和高壓作用下，就會發生明顯的動態雪崩現象。所以，發生動態雪崩的IGBT的關斷波形通常表現為：電壓先以正常的較大速率上升，但在發生動態雪崩后，由于過剩載流子抽取速度變慢，電壓上升率會明顯減弱。如圖5（a）所示。按照這一思路，只要加大RG電阻，使溝道關斷變慢，讓導通的溝道一直等到集電極電流明顯減小之后再關斷，就可以有效抑制動態雪崩的發生，如下圖（b）所示。不過，這要以增大關斷損耗為代價。

3.綜合1、2兩點可知，IGBT通常在過流、高壓和低柵電阻條件下才會發生顯著的的動態雪崩。在廠商數據表（datasheet）所給定的額定電流、電壓以及較大柵電阻條件下，一般是可以安全關斷的，因此數據表會給出一個矩形的關斷SOA。但正如本文引言部分所述，在高壓領域的實際應用需求中，往往會對器件的堅固性有極端要求，因此實際器件堅固性的指標必須像圖6那樣大大超越數據表中的SOA［4］，才能具備市場競爭力。因此，研究IGBT的動態雪崩問題，往往要針對過流、低柵阻、大雜散電感（可誘生過壓）、非箝位感性開關（UIS）（可產生高于額定電壓的高壓）和短路（高壓及過流同時存在且維持數μs至10μs時間）等極端條件展開。

4.由于器件內部的柵電阻在芯片內有分布效應，所以IGBT內部元胞的溝道是漸次關斷的。在部分元胞溝道關斷后，電子電流會向仍開通的元胞溝道擠壓，在動態雪崩發生之前就已經會出現一定程度的電流集中，如圖7（b）所示。按照前述的原理，在適當條件下，動態雪崩會在溝道關斷后的元胞處首先發生并形成電流絲，這是因為這里沒有電子流對過多的正空間電荷進行補償。兩類電流集中有可能同時出現，給問題帶來了復雜性。像二極管一樣，動態雪崩所形成的電流絲也會轉移（圖7（d）—（f））。只不過由于IGBT正面是周期性出現的p阱結構（無論平面型還是槽柵型），而不是二極管中那樣是平行平面結，因此，電流絲的轉移更像是“跳躍”，而不是像是pnp管熱絲［］，也可以是npn管熱絲。

背p區摻雜和體內壽命控制的橫向不均勻同樣會引起正面電流集中于特定部位。

5.結終端處其實是有源區內結構周期性突然喪失、不均勻性最為突出的部位。而在關斷過程中，結終端附近又往往是電場和載流子集中的區域，所產生的空穴電流會集中最外圈元胞（主結）處，這種密集的電流很難向體內移動，因而最終形成局域熱擊穿。

提高IGBT抗動態雪崩能力的措施

針對上述失效機理，可采用的提高IGBT抗動態雪崩能力的措施主要有：

（1）適當提高注入效率的背p區和n緩沖層/場中止層的優化設計。

（2）優化元胞結構設計，強化對n+源區的保護，盡量減小n+區下方的橫向電阻，提高常溫及高溫條件下的閂鎖電流閾值。

（3）采用優質襯底片和優良的加工設備，盡可能提高材料及工藝的均勻性。

（4）進行特殊和優化的結終端設計，以減小主結邊緣處的載流子富集和電場集中。

（5）在有源區采用特殊設計和工藝，使有源區的靜態擊穿電壓和動態雪崩鉗位電壓都低于非有源區（含結終端區和柵匯流條、柵焊盤區）的擊穿電壓。如圖8所示。

基于通過壽命控制優化快速掃出內部載流子的理念，新設計的3.3kVIGBT模塊具有快速開關和快速恢復特性。在諧振DC/DC轉換器模擬電路中，與傳統高速模塊比，初級端IGBT的損耗降低15%，次級端二極管的損耗降低47%。通過降低IGBT和二極管的損耗，新設計的模塊將適用于雙向和中頻應用，例如DC/DC諧振轉換器。這一設計概念也可用于6.5kVIGBT和其他電壓級別器件。因此，可以考慮多種中頻應用電路拓撲。另外，我們還在模擬電路中評估了SiC-JBS二極管。SiC-JBS表現出最低功耗，對未來10kHz以上的高頻應用，會帶來極大好處。不管怎么說，我們期待新設計概念適用于中頻應用，在SiC-JBS出現在功率半導體市場前是一理想解決方案。

以上對高壓IGBT的動態雪崩問題進行了概述，涉及IGBT動態雪崩的概念、復雜性、失效機理和應對措施等。這些概念的建立，對于設計制造出堅固性強的高壓IGBT至關重要。為獲得高性能產品，還需結合具體的堅固性指標，再結合與其他性能參數的折中關系，對問題進行深入細致的分析和仿真，進而提出合理的結構設計，并通過反復試驗探索，才能取得最終的成功。