范曉波

（西安電力電子技術研究所，陜西 西安 710077）

隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，為了進一步滿足市場的需求，IGBT 器件的電壓也做的越來越高。由于實際的PN 結始終存在著中斷面以及會有部分暴露于硅片表面，使得器件的耐壓達不到設計指標。為了獲得理想的擊穿特性，本文對器件的表面終端結構進行計算機仿真，為保證芯片耐壓提供重要的依據(jù)。

1 表面擊穿及終端結構的理論分析

1.1 表面擊穿的原理

IGBT 芯片采用多元胞并聯(lián)技術，單元之間不存在擊穿問題，但最外側的元胞與襯底之間存在很高的電勢差，PN 結在這些區(qū)域由于受柱面和球面結曲率的影響，電場要遠遠高于體內的平面結，使器件的耐壓水平大為降低。對這些區(qū)域采取保護，降低其峰值電場以提高擊穿電壓就變得尤為重要。

1.2 表面終端結構

IGBT 作為平面器件，其終端保護技術分為場限制環(huán)和場板兩大類，旨在降低表面處的電場，提高器件的耐壓。但實踐表明，場板技術過分依賴其本身的長度、氧化層的厚度以及襯底的摻雜水平。而場限制環(huán)技術又對環(huán)間距極其敏感，隨著器件電壓水平的不斷提高，發(fā)現(xiàn)其分壓的能力在不斷下降，要想提高器件的耐壓水平，必須采用多環(huán)系統(tǒng)，但勢必會減小芯片的有效面積，使得通流能力大為減弱。因此，本文采用一種部分覆蓋的環(huán)場板混合終端結構來優(yōu)化器件的耐壓水平與通流能力之間的矛盾。

2 表面終端結構的計算機仿真

本文針對耐壓水平為3300V 的表面終端結構進行了仿真。采用14 環(huán)系統(tǒng)，分別對其電勢、電場及擊穿特性進行了模擬。

圖1 終端的二維電勢分布

圖2 1 終端的二維電場分布

2.1 終端結構的二維物理特性模擬

（1）終端的二維電勢和電場分布。如圖1、圖2，電壓等勢線由主結向外環(huán)擴展，且在各個環(huán)間均勻分布，表明電壓在各個環(huán)間均勻分布。在PN 結表面處，電場逐漸從主結處降低。

（2）終端表面電勢和電場的分布。如圖3、圖4，電勢在各個環(huán)間均勻分布，且主結承受的電壓最高，最外環(huán)承受的電壓最低。電場從主結處開始近乎線性的下降，在主結的拐角處產(chǎn)生了最強電場，遠高于表面電場的最大值。

圖3 終端表面電勢的分布

圖4 終端體內電場的分布

2.2 擊穿特性的仿真

如圖5，擊穿電壓大于3300V，且表現(xiàn)出硬的擊穿特性。

3 結語

對IGBT 的表面終端結構進行計算機仿真研究。通過研究14 環(huán)系統(tǒng)，結果表明，高壓平面器件為了提高耐壓水平，必須采用多環(huán)系統(tǒng),隨著電壓的進一步提高，環(huán)數(shù)也必須增加以滿足耐壓的需要。

圖5 擊穿曲線