絕緣柵雙極晶體管（IGBT）表面耐壓結構仿真研究

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。

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。而場限制環技術又對環間距極其敏感，隨著器件電壓水平的不斷提高，發現其分壓的能力在不斷下降，要想提高器件的耐壓水平，必須采用多環系統，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場板混合終端結構來優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 環系統，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擴展，且在各個環間均勻分布，表明電壓在各個環間均勻分布。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，電勢在各個環間均勻分布，且主結承受的電壓最高，最外環承受的電壓最低。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 環系統，結果表明，高壓平面器件為了提高耐壓水平，必須采用多環系統,隨著電壓的進一步提高，環數也必須增加以滿足耐壓的需要。

圖5 擊穿曲線