IGBT安全工作區(qū)的物理概念和超安全工作區(qū)工作的失效機(jī)理
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摘要：本文闡述了各安全工作區(qū)的物理概念和超安全工作區(qū)工作的失效機(jī)理。討論了短路持續(xù)時(shí)間Tsc和柵壓Vg、集電極—發(fā)射極導(dǎo)通電壓Vce(on)及短路電流Isc的關(guān)系。
1、 引言
半導(dǎo)體功率器件失效的原因多種多樣。換效后進(jìn)行換效分析也是十分困難和復(fù)雜的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作區(qū)（Safe Operating Area簡稱SOA）使用引起的。因此全面了解SOA，并在使用中將IGBT的最大直流電流IC和集電極—發(fā)射極電壓Vce控制在SOA之內(nèi)是十分重要的。SOA分為正偏安全工作區(qū)（FBSOA）、反偏安全工作區(qū)（RBSOA）、開關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）和短路安全工作區(qū)（SCSOA）。
IGBT的SOA表明其承受高壓大電流的能力，是可靠性的重要標(biāo)志。
2.1正偏安全工作區(qū)（FBSOA）
FBSO是處于Vge>閾值電壓Vth的輸出特性曲線的有源區(qū)之內(nèi)，如圖1所示。圖1中ABCDO所包圍的區(qū)域?yàn)橹绷靼踩ぷ鲄^(qū)。AB段為tc=80℃限制的最大直流電流Ic。B點(diǎn)對應(yīng)的IC和Vce的乘積等于最大耗散功率Pcm。BC段為等功耗線。CD段為二次擊穿限制的安全工作區(qū)的邊界，此段不是等功耗。隨著Vce的增加功耗下降，Vce越高功耗越低。這說明高電壓強(qiáng)電場狀態(tài)更容易出現(xiàn)失效。
由圖1可見，隨著脈沖寬度減小SOA擴(kuò)大。這里要說明的是手冊給的FBSOA，除DCSOA之外。一定脈沖寬度下的脈沖SOA，均是單脈沖安全工作區(qū)。而且FBSOA只考慮導(dǎo)通損耗，不包括開關(guān)損耗。所以FBSOA只適用功率放大器的A類、B類及短路工作沒有開關(guān)損耗的工作狀態(tài)。對于一定脈寬和占空比的連續(xù)工作，其安全工作區(qū)應(yīng)使用瞬態(tài)熱阻曲線的計(jì)算來確定。
2.2反偏安全工作區(qū)（RBSOA）
RBSOA是表明在箝位電感負(fù)載時(shí)，在額定電壓下關(guān)斷最大箝位電感電流Ilm的能力。Ilm一般是最大DC額定電流的兩倍，而額定電壓接近反向擊穿電壓。PT型IGBT和NPT型IGBT的反偏安全工作區(qū)略有不同。PT型IGBT的RBSOA是梯形SOA，NPT型IGBT的RBSO是矩形SOA。如圖2所示?？梢奛PT型IGBT。在額定電壓下關(guān)斷箝位電感電流的能力強(qiáng)于PT型IGBT。因此，PT型IGBT不適用于電感負(fù)載電路和馬達(dá)驅(qū)動等電路，而且短路持續(xù)時(shí)間TSC較短，一般不給出短路安全工作區(qū)。所以，NPT型IGBT的可靠性高于PT型IGBT。
2.3開關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）
本文引用地址：開關(guān)字全工作區(qū)如圖3所示。由圖2和圖3可見，SSOA和RBSOA相似，都是矩形的。所不同的是RBSOA只考慮關(guān)斷時(shí)承受高電壓大電感電流的能力。SSOA不僅考慮關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)也考慮開啟瞬間。所以SSOA兼顧FBSOA和RBSOA兩種狀態(tài)的考慮。另外，縱坐標(biāo)的電流，RBSOA是Iim ；而SSOA是最大脈沖電流Icm。一個(gè)是最大箝位電感電流，一個(gè)是最大脈沖電流。而且兩者在手冊中給出的數(shù)值又是相等的?，F(xiàn)在有的公司只給出SSOA，不再給出FBSOA和RBSOA。在IGBT開啟時(shí)，往往是Vce沒有降下來，Ic就達(dá)到負(fù)載電流Il。在有續(xù)流作用時(shí)還要達(dá)到Ic +Ir r m。Ir r m為續(xù)流二極管的最大反向恢復(fù)電流，因此導(dǎo)通過程也存在高壓大電流狀態(tài)。
2.4短路安全工作區(qū)（SCSOA）
SCSOA是IGBT C—E間處于高壓(額定反向電壓)下，G—E間突然加上過高的柵壓Vg，過高Vg和高垮導(dǎo)的作用出現(xiàn)短路狀態(tài)，其短路電流ISC可高達(dá)10倍的額定電流IC。這和SSOA的開通狀態(tài)比較相似，但I(xiàn)SC>Icm。在整個(gè)短路時(shí)間Tsc中，IGBT始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。在此狀態(tài)下IGBT的耗能在四種安全工作區(qū)最大，出現(xiàn)失效的幾率也最高。SCSOA如圖4所示。
3、 超SOA的失效機(jī)理
安全工作區(qū)，顧各思義工作在SOA內(nèi)是安全的，超出將是不安全的，或引起失效。由于四種安全工作區(qū)的偏置狀態(tài)不同，超出SOA的失效機(jī)理也是不同的。FBSOA、SCSOA和SSOA的開啟狀態(tài)均為正偏，而RBSOA為反偏。眾所周知，IGBT失效的主要原因是寄生SCR的鎖定（Latch-up）和超結(jié)溫tj工作出現(xiàn)的燒毀。
（1）RBSOA的失效：在額定電壓下關(guān)斷箝位電感電流Ilm時(shí)，由于關(guān)斷來自IGBT發(fā)射極的溝道電子電流，寄生PNP管發(fā)射極注入到高阻漂移區(qū)（PNP管的是基區(qū)）的少子空穴一部經(jīng)過PNP管的基區(qū)從IGBT的發(fā)射極流出。當(dāng)該空穴電流Ih在NPN管的基區(qū)電阻R b上壓降Ih·R≥0.7V時(shí)，NPN管導(dǎo)通，其共基極放大系數(shù)αnpn迅速增大。同時(shí)由于PNP管的集電極處于高壓，集電結(jié)耗盡層寬度（Xm）很寬，使PNP管的有效基區(qū)Wb變窄，α pnp也增大。當(dāng)α npn+α pnp1時(shí)出現(xiàn)動態(tài)鎖定而燒毀。因此直角安全區(qū)是IGBT可靠性的重要標(biāo)志。由圖2可見NPT型IGBT具有直角SOA，而PT型IGBT是梯形安全工作區(qū)。這說明PT型IGBT在額定電壓下關(guān)斷的箝位電感電流Ilm比NPT型IGBT要小。其抗高壓大電流沖擊能力和短路能力都不如NPT型IGBT。
對于SSOA的關(guān)斷失效機(jī)理和RBSOA的失效是相同的。
對于FBSOA、SCSOA和SSOA的開啟狀態(tài)，三者都工作在有源區(qū)的高壓大電流狀態(tài)，因?yàn)樘幱谡查g電流為DC額定電流的2-10倍。IGBT中寄生的NPN管和PNP管的α npn和α pnp均隨工作電流的增加而增大。當(dāng)α npn+αpnp1時(shí)出現(xiàn)靜態(tài)鎖定燒毀。
（2）SCSOA的失效：由于短路電流ISC可能高達(dá)10倍于直流額定電流，在短路時(shí)間TSC內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱過量，來不及消散而產(chǎn)生熱燒毀。
例如：100A 1200V的NPN型IGBT，當(dāng)TSC=10μs時(shí)產(chǎn)生的能量：
ESC=Vce·Ic·Tsc=12焦耳。
該能量產(chǎn)生在P阱PN結(jié)耗盡層X m中，耗盡層中的電場ε=1200V/Xm。這時(shí)，Xm （1200V）約為200μm，所以ε=6×104V/cm。定義εm≥3×104V/cm為強(qiáng)電場，現(xiàn)在，ε>εm電子在強(qiáng)電場下的漂移速度達(dá)到飽和。飽和的原因是強(qiáng)電場下光學(xué)波聲子散射，通過光學(xué)波聲子散射將外電場的能量傳遞給遭散射的晶格。量子物理提出一個(gè)基本事實(shí)：“盡管在固體里面電子是在密集的原子之間高速運(yùn)動，只要這些原子按嚴(yán)格的周期性排列，電子的高速運(yùn)動并不遭受散射”。Si單晶片和外延片中的缺陷就是晶格周期排列的破壞。缺陷密度大的部位散射截面就大，這時(shí)，從外電場接受的能量就多，該部位晶格振動就劇烈，使晶格溫度t1升高。當(dāng)t1大于硅的熔點(diǎn)(1415℃)時(shí)，出現(xiàn)Si熔洞而燒毀。這就是為什么燒毀的器件解剖后均發(fā)現(xiàn)Si熔洞的原因。這里我們從超出SCSOA的應(yīng)用為例對燒毀機(jī)理做了上述分析。對于超出SCSOA的應(yīng)用為例對燒毀機(jī)理做了上述分析。對于超出FBSOA、SSOA和RBSOA一樣，只要偏置電壓和偏置電壓對應(yīng)的耗盡層寬度Xm之比大于3×104V/cm，均可能產(chǎn)生上述燒毀。
解剖發(fā)現(xiàn)Si熔洞的面積A si約100μm2~1mm2。晶格溫度為：
T1=Ic·Vce·Tsc/Dsi ·Csii·Asi·X m （1）
式中Dsi和Csi分別為Si比重和熱比。Csi=0.7焦耳/克℃，Dsi=2.328克/cm3。我們假設(shè)在10μs的短路時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生能量的10%讓強(qiáng)散射區(qū)吸收，并取Asi=1mm2，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入（1）式得：t1=3600℃。該溫度已大大超過Si的熔點(diǎn)1415℃，難怪燒毀后的Si片出現(xiàn)熔洞。
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