在推導MOS的IV特性時,我們通過建立了電阻R和電壓V之間的關系,從而消除歐姆定律中的電阻R,得到電流與電壓之間的關系,但這里所討論的電阻僅僅是溝道電阻。
對于IGBT中的MOS結構而言,其電阻不僅包括溝道電阻,還包括N-base區域的體電阻。
回顧表達式如下,
MOS正常工作狀態下, ,可以忽略上式右邊第二項,于是溝道部分的電阻可表達為,
假設如圖所示,溝槽之間的MESA寬度為,溝槽的寬度為,那么對于周期性排布的MOS結構來說,其方阻(電阻乘以面積,即)為:
對于N-base區域的體電阻計算,可以做一個簡化的推導,簡化條件為:
1.電子從MOS溝道注入后,積累在溝槽柵氧的外側;
2.電子到達溝槽底部后再向下擴散;
3.電子在N-base區域以45°角向背面擴散;
4.擴散路徑中各處電子濃度、遷移率相同,即N-base中具有相同的電阻率。
這里對這幾個簡化條件的合理性做一個說明:
1.因為MOS工作過程中,柵極持續施加正電壓,因此靠近柵氧的半導體能帶被電子占有的概率更高,所以從源極注入的電子更傾向于在柵氧表面積累;
2.溝道底部距離溝槽底部之間的區域相較整個N-base區域而言,電阻占比很小,計算中可以忽略;
3.穩態工作下,器件內部處于電中性狀態,因此內部電場基本可以忽略,電流由擴散電流主導;
4.擴散運動的絕大部分電子分布在45°角的范圍內。
根據電阻的表達式:,其中L為電路路徑方向的長度,S為電流路徑的截面積。顯然,可以將體電阻劃分為A和B兩個區域,A區域為一個等腰梯形,B區域為一個長方形。
A區域的電阻對梯形積分即可計算得到,
B區域的電阻即長方形的面積,
所以,N-base總電阻即將相加而得,
與溝道電阻的方阻計算相似,將乘以面積即可得到N-base的方阻,并將乘積整理成,
將溝道電阻與N-base電阻相加,即得到MOS的總電阻Rds(on)方阻,
至此,我們就基本完成了對IGBT中MOS結構的靜態工作機理分析。
舉例,對于一個MOS,其相關參數設計如下,mesa寬度為4,溝槽寬度為1.5溝槽深度為3,柵氧厚度為100,溝道內的電子遷移率,N-base內的電子遷移率,假設在柵極施加電壓為10V的條件下,其N-base內的電子濃度為1e16 計算芯片厚度從10增加到100,溝道電阻在整體電阻中的占比。
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