IGBT中都有哪些PN結(jié)？PN結(jié)的組合會(huì)給IGBT帶來哪些特性？

如下圖所示為目前國(guó)際上最為主流的IGBT芯片俯視圖和截面示意圖，其中黃色區(qū)域代表型半導(dǎo)體，綠色區(qū)域代表型半導(dǎo)體。

在平面，IGBT可以劃分為元胞區(qū)和終端區(qū)（后面會(huì)詳細(xì)介紹其作用）；z方向又可以劃分為芯片正面和芯片背面。

平面內(nèi)可能存在四種類型的PN結(jié)，

：處于元胞區(qū)，與電極(發(fā)射極)相連；

：處于元胞區(qū)，與電極不相連；

：處于元胞區(qū)與終端區(qū)的過渡區(qū)；

：處于終端區(qū)，與電極不相連。

z方向的背面還有一個(gè)PN結(jié)，

：處于芯片背面，與電極(集電極)相連。

在理解IGBT內(nèi)部的若干PN結(jié)如何協(xié)作之前，我們先看單個(gè)PN結(jié)是如何工作的。第二章中，我們闡述了熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)存在一個(gè)內(nèi)部勢(shì)壘，阻礙PN結(jié)兩側(cè)的多子（P型中的空穴和N型中的電子）向?qū)Ψ綌U(kuò)散。

顯然，若要促進(jìn)多子能夠進(jìn)一步擴(kuò)散，就必須克服這個(gè)勢(shì)壘，所采用的辦法就是在P區(qū)施加一個(gè)正向電壓，以形成一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)相反方向的電場(chǎng)；反之，若要進(jìn)一步阻礙多子擴(kuò)散，也可以通過在N區(qū)施加一個(gè)正向電壓，從而增加PN結(jié)的內(nèi)部勢(shì)壘。這兩個(gè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)PN結(jié)的導(dǎo)通狀態(tài)和阻斷狀態(tài)。

如下圖所示的一個(gè)PN結(jié)，假設(shè)P區(qū)摻雜濃度為，N區(qū)摻雜濃度為。P區(qū)因?yàn)椴糠挚昭〝U(kuò)散到N區(qū)而有部分區(qū)域帶負(fù)電，其寬度用表示；反之N區(qū)因?yàn)椴糠蛛娮訑U(kuò)散到P區(qū)而有部分區(qū)域帶正電，其寬度用表示。

原本都處于電中性的P區(qū)和N區(qū)，因?yàn)槎嘧訑U(kuò)散，在相交的PN結(jié)區(qū)域分別有部分空間帶電了，這個(gè)空間被稱為“空間電荷區(qū)”，又被稱為“耗盡區(qū)”，其寬度為： (為depletion的縮寫）。

定義P型半導(dǎo)體所連接電極為陽極，對(duì)應(yīng)的N型半導(dǎo)體所連接電極為陰極。假設(shè)陽極施加的外界電壓為負(fù)，那么感生的電場(chǎng)方向由N型指向P型，顯然會(huì)增強(qiáng)PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)，使得耗盡區(qū)邊界處的多子在電場(chǎng)作用下漂移至對(duì)面，留下更大的空間電荷區(qū)；同時(shí)增大的內(nèi)建電場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步阻礙多子擴(kuò)散。這個(gè)過程可以用靜電學(xué)的高斯定律和泊松方程進(jìn)行描述，

其中，表示空間電荷密度，表示介電常數(shù)，表示電勢(shì)差。兩個(gè)方程的物理意義是：有電荷存在的地方，就會(huì)存在電場(chǎng)，其方向?yàn)檎姾芍赶蜇?fù)電荷；而電場(chǎng)在空間的積分就是電勢(shì)。所以，空間電荷區(qū)會(huì)存在N區(qū)（正電）指向P區(qū)（負(fù)電）的電場(chǎng)。因此當(dāng)外加電壓為正，感生與原來向反方向的電場(chǎng)，那么空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)建電場(chǎng)減弱，PN結(jié)導(dǎo)通；反之，當(dāng)外加電壓為負(fù)，感生與原來相同方向的電場(chǎng)那么空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)，PN結(jié)就可以承受更高的電勢(shì)，直到電場(chǎng)峰值材料的臨界擊穿電場(chǎng)。這就是IGBT能承受高電壓的原因。

進(jìn)一步地，根據(jù)高斯定律和泊松方程，電勢(shì)的梯度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度，而電場(chǎng)的梯度正比于空間電荷區(qū)的濃度。顯然當(dāng)外加電壓為負(fù)，空間電荷區(qū)濃度越低，那么電場(chǎng)衰減越慢，相應(yīng)所對(duì)應(yīng)的耗盡區(qū)就越寬，達(dá)到臨界電場(chǎng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)值就越高，也就是可承受電壓越高。這就是為何電壓等級(jí)越高的IGBT，其襯底濃度需要越低的緣故。

下面簡(jiǎn)要推導(dǎo)PN結(jié)阻斷狀態(tài)下的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度、耗盡區(qū)寬度與摻雜濃度以及外加電壓之間的關(guān)系。

引用高斯定理的積分形式：

即電場(chǎng)沿閉合空間的積分正比于其內(nèi)部電荷之和。

如下圖所示，將閉合四邊形的四邊分別標(biāo)記為，

顯然，1.,因此電場(chǎng)在和方向的積分相互抵消；

2. ；
3. ;

因此，

所以，

的表達(dá)式中利用了平衡態(tài)下的電中性原理，即，

當(dāng)半導(dǎo)體為均勻摻雜時(shí)（絕大多數(shù)都是這種情況，但也有例外，如經(jīng)擴(kuò)散而形成的高斯分布摻雜，后面講到工藝時(shí)會(huì)進(jìn)一步分析），隨空間線性變化，其在耗盡區(qū)內(nèi)的積分即為PN結(jié)兩側(cè)的電勢(shì)差，即

其中， ，內(nèi)建電勢(shì)

綜上可以推算出P區(qū)和N區(qū)內(nèi)耗盡區(qū)的寬度分別為：

當(dāng)半導(dǎo)體為非均勻摻雜時(shí)，推算過程相同，但稍微繁雜一些。

舉例：以Si為例，假設(shè)P型摻雜濃度為，N型摻雜濃度為,，，，計(jì)算的耗盡區(qū)寬度變化趨勢(shì)。 相對(duì)的絕對(duì)值是個(gè)小量，計(jì)算過程中可以忽略掉，或者以0.7V替換。

計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

可以看出，承受1200V的電壓，大約需要140的厚度。