Avalanche Current 定格電流の2倍 十分大きな値の浮遊ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ
図4-25 サステインモード破壊試験
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り始めるとチャネル電流が減少していく。しかし、大きな浮遊インダクタンスをもつため、
グラフのようにチャネル電流が減少するとともにアバランシェによるキャリアが発生する。
4-3-2 サステインモードでの解析
まず図4-26 のように、pコレクタ注入効率が比較的大きい場合、具体的にはホール電 流比0.27以上、コレクタ側よりエミッタ側のキャリア密度分布が小さくなる場合について シミュレーションにて調べる。本シミュレーションではホール電流比0.38の場合を計算し た。ターンオフ時の電子電流、チャネル電流とともにアバランシェ電流もプロットしてい る。ゲート電圧が下がり、チャネル電流が減少するともにアバランシェ電流が増加し、テ ール電流はアバランシェ電流によって占められていることがわかる。
これに対し、図4-27にはpコレクタホール電流比が 0.27以下、エミッタ側よりコレ クタ側のキャリア密度分布が小さくなり高速スイッチングする素子条件でのターンオフ波
エミッタ コレクタ
Carrier Distribution ( /cm3)
ホール 電子 Avalanche Current Low VSUS < VBD
ホール電流比 > 0.27
Voltage (V)
Current (A)
Large g Small
g=0.38
Current(A) Voltage (V)
Time (sec) Gate Voltage Total Current Voltage
Avalanche Current Electron
Current
Channel Current
図4-26 サステインモード ホール電流比γ>0.27の場合
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形を示す。具体的にはホール電流比0.26の場合のシミュレーション結果である。チャネル 電流が減少し始めるとアバランシェによる電流が増えるのは同じである。しかし導通状態 ですでにコレクタ側のキャリア密度が低いため、ほとんどのターンオフ電流はアバランシ ェ起因によって流れなければならない。ターンオフ開始時の全電流値に対して、アバラン シェ電流は 70%をも占めるのである。アバランシェはインパクトイオン化率が大きくなっ た箇所で生じるが、実際の素子でインパクトイオン化が不均一に生じた場合、電流集中、
温度上昇も不均一になる可能性がある。破壊耐量設計の観点からもインパクトイオン化に よるキャリアの発生および不均一を抑制するのが重要になる。ホール電流比0.26の場合の 静耐圧の計算結果も載せているが、負性抵抗が現れている。つまり p コレクタの注入効率
Curre nt(A) V olt age (V)
Time (sec)
Gate Voltage Total Current Voltage
Avalanche Current
Channel Current
ホール 電子
Carrier Distribution ( /cm3)
エミッタ コレクタ
Voltage (V)
Current (A)
Large g Small
g=0.26 Avalanche Current High
VSUS ＞ VBD ホール電流比 ＜ 0.27
図4-27 サステインモード ホール電流比γ<0.27の場合
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を下げると、負性抵抗が現れ、サステイン電圧がアバランシェブレークダウン電圧より高 くなることも確認できる。ここで、サステイン電圧がアバランシェブレークダウン電圧よ り高くなる現象を解析的にみていく。1次元のポアソン方程式は以下のようになる。
全電流に占めるホール電流の比であるγが0.5より小さい、つまりホール電流が電子電流よ りも小さくなると、n ベースつまり n-ドリフト領域の空間電荷密度はドナー密度より小さ くなる。p コレクタ層の注入効率を小さくしてγを小さくした場合も同様の効果が生じる。
よって、サステイン電圧がアバランシェブレークダウン電圧より大きくなる現象が現れて くるのである。
これをシミュレーションと実測にて確認したのが図4-28である。横軸はオン電圧であ り p コレクタの注入効率を変えγの値を変えることで動かしている。γが小さいほどオン 電圧が増加している。このようにγの値を変えた素子間にて、サステイン電圧とアバラン シェブレークダウン電圧を比較したものを同じグラフ内にプロットした。静耐圧は n-ドリ フト層の厚みと濃度で決まっており、pコレクタの注入効率に依存はしないため、一定であ る。しかし、サステイン電圧はγの値を小さくしていくと増大していき、γ値、0.3付近を 境にサステイン電圧と静耐圧の大小関係は逆転することがわかる。サステイン電圧の実測
<n-base space charge> = N
D
+ J
p
/qv
p
- J
n
/qv
n
= N
D
- ((1-g)/v
n
- g/v
p
)J/q g = J
p
/(J
p
+J
n
) = J
p
/J --- ホール電流比 N
D
: Donor concentration in the n-base v
p
,v
n
: Hole and electron saturation velocities
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値はばらつきも大きくシミュレーションのような単調増加していくわけではないが、静耐 圧値と逆転する相対関係は読み取れる。サステイン試験の解析は、実測でアバランシェ電 流値を測定することができないが、γを変えた時のサステイン電圧と静耐圧の実測の関係 から、これら素子動作解析を裏付けられるのである。