パワーデバイス特性入門

パワー・デバイス特性入門

松田順一

群馬大学

場所 群馬大学理工学部（桐生キャンパス）総合研究棟５０６号室

日時 ２０１８年６月１９日（火） １６：００〜１７：３０

平成３０年度 集積回路設計技術・次世代集積回路工学特論公開講座

第３２９回群馬大学アナログ集積回路研究会

概要（１）

Ⅰ パワーＭＯＳＦＥＴ

（１）材料基本特性

抵抗、特性オン抵抗、ブレークダウン電圧

（２）MOSFET基本電気特性

しきい値電圧、電流式とチャネル抵抗

（３）パワーMOSFETのオン抵抗

VD（Vertical Diffused）-MOSFETのオン抵抗、U-MOSFETのオン抵抗

（４）スイッチング特性

ゲート電荷、ターンオン特性、特性ゲート電荷とFOM値、ターンオンとターンオフ過渡特性、スイッチング損失

（５）過渡変化（dV

_D

/dt）によるターンオン

容量性ターンオン、バイポーラ・ターンオン

Ⅱ ＩＧＢＴ

（１）IGBTの構造

（２）IGBTの動作と出力特性

（３）IGBT等価回路

概要（２）

（４）ブロッキング特性

対称型IGBT、非対称（パンチスルー）型IGBT

（５）オン状態の特性

オン状態モデル、オン状態キャリア分布と電圧降下（対称型IGBT、非対称型IGBT、トランスペアレント・エミッタIGBT）

（６）スイッチング特性

ターンオン特性（フォワード・リカバリ）、ターンオフ特性（インダクタ負荷）、ターンオフ期間のエネルギー損失

（７）ラッチアップ抑制

ディープP+_{追加、ゲート酸化膜厚薄化}

（８）トレンチ・ゲートIGBT

構造、オン状態キャリア分布と電圧降下、スイッチング特性、ラッチアップ耐性

（９）高温動作

オン状態特性の温度依存性、ラッチアップ特性の温度依存性 （注）主に下記の文献を参考に本資料を作成した。

B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices,” Springer Science + Business Media, 2008.

参考文献と付録

抵抗

a

c

b

V

I

b

a

R

bc

a

bc

a

nq

R

_s B











1

（R

_s

:シート抵抗）

電界

ドリフト速度

単位面積当たりの電荷

素電荷量

キャリア密度

：キャリア移動度

:

:

:

'

:

:

E

v

Q

q

n

d B



nq

B









1



1

'

1

1

Q

nqc

c

R

B B s













（

_{ρ：抵抗率, σ:導電率）}

      



  





V

a

bc

nq

a

V

bc

nq

E

bc

nq

v

bc

nq

I

B B B d









































断面積 単位体積当たりの電荷 _{コンダクタンス＝（１／抵抗）} （R ⇒ ρに電流の流れる方向の抵抗体の 長さを掛けて断面積で割る）

特性オン抵抗

特性オン抵抗

⇒デバイスがオンした時の単位面積当たりの抵抗

𝑅

_{𝑜𝑛, 𝑠𝑝}

=

𝑅

𝑜𝑛, 𝑐𝑒𝑙𝑙

1/(𝑝𝑍)

= 𝑅

𝑜𝑛, 𝑐𝑒𝑙𝑙

(𝑝𝑍)

(A-B間の抵抗）

1 1 A Z p B

R

_on,cell 1セル

1セル当たりのオン抵抗

単位面積当たりのセル数

1/(𝑝𝑍)

𝑅

_{𝑜𝑛, 𝑐𝑒𝑙𝑙}

単位面積当たり

1/(𝑝𝑍)

個のセルが並列接続

特性オン抵抗

パワーデバイス各セルのオン抵抗と

𝑅

_{𝑜𝑛, 𝑠𝑝}

PN階段接合ブレークダウン電圧と空乏層幅

0 WD

x



p

n

ND Va 空乏層 _{x における電界} x における電圧 空乏層幅Wと印加電圧V_aの関係



W

x



qN

x

E

_D S D









)

(













_



2

2

1

)

(

x

qN

W

x

x

V

_D S D



2 1

2















D a S D

qN

V

W



（ビルトイン電位無視）

1

0





WD

dx



ブレークダウン条件 Si) (for 10 8 . 1 ) cm ( 1 35E7 F   _{ }



  _{ }



W_C,PP: ブレークダウン時の空乏層幅

(cm)

10

60

.

2

10 78 , 





_D PP C

N

W

(V)

10

24

.

5



13 3 4



_D PP

N

BV

BV_PP : ブレークダウン電圧 ) cm ( 3 D N

(cm)

10

80

.

1

11 7 8 , 





_D PP C

N

W

(V)

10

00

.

3



15 3 4



_D PP

N

BV

E_C,PP: ブレークダウン時の電界（臨界電界）

(V/cm)

10

02

.

4

3 18 ,PP D C

N

E





(V/cm)

10

35

.

3

4 18 ,PP D C

N

E





Siの場合 4H-SiCの場合

（平型PN階段接合）

（付録１参照）

（注）Siの比誘電率を 11.7 として計算,

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

BV PP (V) Doping Concentration (cm-3₎

ブレークダウン電圧と空乏層幅の濃度依存性

Si 4H-SiC ブレークダウン電圧の濃度依存性

平型PN階段接合

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

WC,PP (μ m) Doping Concentration (cm-3₎ Si 4H-SiC ブレークダウン時空乏層幅の濃度依存性

平型PN階段接合

1E+05 1E+06 1E+07

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

EC,PP (V /c m) Doping Concentration (cm-3₎

ブレークダウン時の電界（臨界電界）の濃度依存性

平型PN階段接合

Si 4H-SiC ブレークダウン時の電界（臨界電界）の濃度依存性

4H-SiC（約1桁高い）＞Si

臨界電界

理想特性オン抵抗とブレークダウン電圧の関係(1)

)

cm

(Ω

4

₂ 3 2 , C S PP ideal sp on

E

BV

R









BV

_PP

: 平型PN階段接合ブレークダウン電圧 (V)

理想特性オン抵抗とブレークダウン電圧の関係（ドリフト領域の抵抗のみ考慮）

μ: 移動度(cm

2

_V

-1

_s

-1

₎

E

_C

: 臨界電界(V/cm)

ε

_S

: 半導体誘電率(F/cm)

)

cm

(Ω

10

93

.

5

)

channel

-n

(

9 2.5 2 ,ideal PP sp on

BV

R

_







)

cm

(Ω

10

63

.

1

)

channel

-p

(

8 2.5 2 ,ideal PP sp on

BV

R

_







Si の低ドリフト濃度の場合(<10

15

_cm

-3

₎

)

cm

(Ω

10

96

.

1

)

channel

-n

(

12 2.5 2 ,ideal PP sp on

BV

R

_







4H-SiC の低ドリフト濃度の場合(<10

15

_cm

-3

₎

（付録２参照）

Devices

Power

for

Merit

of

Figure

s

Baliga'

:

3 C s



E



1E-07 1E-04 1E-01 1E+02

1E+02 1E+03 1E+04

Ron -sp ,ide al (Ω c m 2) Breakdown Voltage BVPP (V)

理想特性オン抵抗とブレークダウン電圧の関係(2)

N-type 4H-SiC N-type Si μ と E_Cの濃度依存性考慮

N型とP型Siの理想特性オン抵抗と

ブレークダウン電圧の関係

1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 10 100 1000 Ron -s p, ide al (Ω c m 2 ) Breakdown Voltage BV_PP (V) P-type Si N-type Si μ と E_Cの濃度依存性考慮

N型Siと4H-SiCの理想特性オン抵抗と

ブレークダウン電圧の関係の比較

理想特性オン抵抗：

MOSFETしきい値電圧

フラットバンド電圧

しきい値電圧

OX O MS FB

C

Q

V









MS: 仕事関数差による電位差（ゲートと基板間） Q_O: 界面固定電荷（単位面積当たり） C_OX: ゲート酸化膜容量（単位面積当たり） F F FB TH

V

V





2







2



OX A S

C

N

q







2

: フェルミ電位（基板） F

















i A F

n

N

q

kT

ln



n_i: 真性キャリア密度 q: 素電荷量 T: 絶対温度 k: ボルツマン定数 N_A: 基板不純物濃度 ε_S: 半導体誘電率 F gate F MS









_,



OX OX OX

t

C





：ゲートのフェルミ電位（N+_{ポリSiゲート: -0.56V)} gate F ,



ε_OX: 酸化膜誘電率 t_OX: ゲート酸化膜厚 ゲートと基板を短絡したとき 半導体中が中性になるように ゲートに印加する電圧 （基板バイアス係数） 空乏層に ゲート酸化膜に 表面（界面）を

MOSFET電流式とチャネル抵抗

Z

dx

x

Q

dR

Zc

dx

q

x

n

dR

bc

a

nq

R

n ni ni ni

(

)

1

)

(

1

1

















dx 領域のチャネル抵抗 dR（４頁参照）



(

)



)

(

x

C

V

V

V

x

Q

_n



_{OX GS}



_TH



xにおける単位面積当たりのチャネル電荷

CH

L

x

dx

dV ゲート ソース メタル 空乏層 N+_ソース P基板 N+_ドレイン ドレイン メタル P+

Z

: MOSFETのチャネル幅

μ

_ni

: 反転層移動度

V

_DS

V

_GS

dR

I

dV



_DS

x における電流 I

_DS

と電圧 dV の関係（オームの法則）



V

V

V

x



dV

C

Z

dx

I

_DS





_{ni OX GS}



_TH



(

)

I

_DS ) (x V

















_

_



2

2

1

DS DS TH GS CH OX ni DS

V

V

V

V

L

Z

C

I



線形領域の電流式 （I

_DS

dx の式を x

: 0～L

_CH

で積分）

飽和領域の電流式





2

2

1

T GS OX ni DS

V

V

L

Z

C

I







_

_dI

_DS

_dV

_DS



₀

チャネル抵抗（V

_DS

: 小）



CH



CH

V

V

Z

C

L

R







VD-MOSFETのオン抵抗

CD SUB D JFET A CH N CS ON

R

R

R

R

R

R

R

R

R



















CH R CS R  N R JFET R A R D R SUB R CD R ゲート ドレイン ソース P-ベース N+ N-ドリフト N+_基板

オン状態の抵抗 R

_ON R_CS

:

ソース・コンタクト抵抗 R_N+

:

ソースN+抵抗 R_CH

:

チャネル抵抗 R_D

:

ドリフト抵抗 R_JFET

:

JFET抵抗 R_A

:

蓄積抵抗 R_SUB

:

基板抵抗 R_CD

:

ドレイン・コンタクト抵抗

VD-MOSFETの特性オン抵抗 R

_ON,SP







R

R

R

R

R

R

R

R



A

R

_{CH A JFET D SUB CD} N CS SP ON,











2









1セルの面積A

特性オン抵抗 値 (Ωcm2_{) 割合} RCH,SP 2.06E-05 6.4% RA,SP 3.18E-05 9.9% RJFET,SP 1.34E-05 4.2% RD,SP 2.27E-04 71.0% RSUB,SP 2.56E-05 8.0% RON,SP_total 3.20E-04 100.0% 0E+00 1E-04 2E-04 3E-04 4E-04 5E-04 6E-04 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 Spe ci fic O n -r esis tan ce (Ω cm 2 ) W_G(μm)

VD-MOSFETの特性オン抵抗（BV

_DS

=60V)

R_{ON,SP_total} R_CH,SP R_D,SP R_A,SP R_JFET,SP

特性オン抵抗の各成分（JFET幅変化）

⇒ R_{ON,SP_total}=3.20×10-4 (Ω cm2_{) at W} G=3.0 (μm), Wcell=4.6 (μm)

全特性オン抵抗最小値での

各特性オン抵抗の値と割合

全特性オン抵抗最小値（W_Gに対し最小値が存在する）

特性オン抵抗 値 (Ωcm2_{) 割合} RCH,SP 2.60E-05 0.7% RA,SP 6.68E-05 1.8% RJFET,SP 9.68E-06 0.3% RD,SP 3.61E-03 96.5% RSUB,SP 2.56E-05 0.7% RON,SP_total 3.74E-03 100.0% 0E+00 1E-03 2E-03 3E-03 4E-03 5E-03 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 Spe ci fic O n -r esis tan ce (Ω cm 2 ) W_G(μm)

VD-MOSFETの特性オン抵抗（BV

_DS

=200V)

R_{ON,SP_total} R_CH,SP R_D,SP R_A,SP R_JFET,SP

特性オン抵抗の各成分（JFET幅変化）

⇒ R_{ON,SP_total}=3.74×10-3 (Ω cm2_{) at W} G=4.2 (μm), Wcell=5.8 (μm)

全特性オン抵抗最小値での

各特性オン抵抗の値と割合

全特性オン抵抗最小値（W_Gに対し最小値が存在する）

U-MOSFETのオン抵抗

CH R CS R  N R A R D R SUB R CD R ゲート ドレイン ソース P-ベース N+ N-ドリフト N+_基板 CD SUB D A CH N CS ON

R

R

R

R

R

R

R

R

















オン状態の抵抗 R

_ON R_CS

:

ソース・コンタクト抵抗 R_N+

:

ソースN+抵抗 R_CH

:

チャネル抵抗 R_D

:

ドリフト抵抗 R_A

:

蓄積抵抗 R_SUB

:

基板抵抗 R_CD

:

ドレイン・コンタクト抵抗

U-MOSFETの特性オン抵抗 R

_ON,SP







R

R

R

R

R

R

R



A

R

_{CH A D SUB CD} N CS SP ON,











2







1セルの面積A

特性オン抵抗 値 (Ωcm2_{) 割合} RCH,SP 1.12E-05 0.3% RA,SP 1.15E-05 0.3% RD,SP 3.57E-03 98.6% RSUB,SP 2.56E-05 0.7% RON,SP_total 3.61E-03 100.0% 特性オン抵抗 値 (Ωcm2_{) 割合} RCH,SP 1.12E-05 4.4% RA,SP 1.15E-05 4.6% RD,SP 2.03E-04 80.5% RSUB,SP 2.56E-05 10.2% RON,SP_total 2.52E-04 100.0%

U-MOSFETの特性オン抵抗（BV

_DS

=60, 200V)

特性オン抵抗成分 (BV

_DS

=200V)

特性オン抵抗成分 (BV

_DS

=60V)

t_T=0.8 (μm), W_T=0.8 (μm), W_cell=2.5 (μm) V_G=5V, V_TH=1.38V, t_SUB=200 (μm) t=12.4 (μm) t=3.0 (μm)

ターンオン期間のゲート電荷

1 t 0 t₂ t₃ t₄ GS V QG GD Q GP V TH V 1 GS Q Q_GS2 GS Q t t t G I ) (t i_G ) (t v_GS ) (t i_D ) (t v_D DS V SW Q D I ゲートへ定電流印加 ソース ゲート ドレイン



GD SP



GD

C

C



_,



GS SP



GS

C

C



_,



DS SP



DS

C

C



_, C_GS:ゲート・ソース間容量 をセル面積で割った値 C_GD:ゲート・ドレイン間容量 をセル面積で割った値 C_DS:ドレイン・ソース間容量 をセル面積で割った値 Q_GS1: しきい値前ゲート電荷 Q_GD: ゲート・ドレイン電荷 Q_GS: ゲート電荷 Q_GS2: しきい値後ゲート電荷 Q_SW: ゲート・スイッチング電荷 Q_G: 全ゲート電荷 2 1 GS GS GS

Q

Q

Q





GD GS SW

Q

Q

Q



₂



0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 500

0E+00 2E-08 4E-08 6E-08 8E-08 1E-07

vD (V) jD (A/ cm 2 ) Time (s) 0 1 2 3 4 5 6

0E+00 2E-08 4E-08 6E-08 8E-08 1E-07

v GS (V) Time (s)

VD-MOSFETターン・オン特性

(BV

_DS

=60Vのサンプル)

J_ON=300 A/cm2

μm

6

.

4



Cell

W

μm

0

.

3



G

W

x

_JP



0

.

6

μm

V

_TH



1

.

38

V

μm

2

.

0



ILOX

t

j

_D

と v

_D

の時間変化

V_DS=40 V J_G=10 A/cm2

v

_GS

の時間変化

μm

35

.

0



CH

L

（JFET領域の濃度 > ドリフト領域の濃度）

0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 500

0E+00 2E-08 4E-08 6E-08 8E-08 1E-07

VDS (V) JD (A/ cm 2 ) Time (s) 0 1 2 3 4 5 6

0.0E+00 2.0E-08 4.0E-08 6.0E-08 8.0E-08 1.0E-07

V GS (V) Time (s) J_ON=300 A/cm2

μm

5

.

2



Cell

W

μm

8

.

0



T

W

V

_TH



1

.

38

V

μm

8

.

0



T

t

μm

6

.

0



JP

x

μm

2

.

0



ILOX

t

j

_D

と v

_D

の時間変化

V_DS=40 V

U-MOSFETターン・オン特性

(BV

_DS

=60Vのサンプル)

J_G=10 A/cm2

v

_GS

の時間変化

μm

35

.

0



CH

L

μm

200



SUB

t

FOM(2) VD-MOSFET U-MOSFET 単位 RON*QGD 134 38 mΩ・nC RON*QSW 141 44 mΩ・nC RON*QG 405 255 mΩ・nC 特性ゲート電荷(1) _{VD-MOSFET U-MOSFET 単位} QGS1 1.64E-07 1.98E-07 Ccm-2 QGS2 2.32E-08 2.06E-08 Ccm-2 QGS 1.87E-07 2.18E-07 Ccm-2 QGD 4.19E-07 1.52E-07 Ccm-2 QSW 4.43E-07 1.73E-07 Ccm-2 QG 1.27E-06 1.01E-06 Ccm-2

特性ゲート電荷とFOM値

(1) 各ゲート電荷をセル面積で割った値 (2) FOMの中の R_ONはセル当たりの全抵抗値にセル面積を掛けた値

特性ゲート電荷をVD-MOSFETとU-MOSFETで比較

FOMをVD-MOSFETとU-MOSFETで比較

BV

_DS

=60Vのサンプル

J_ON=300 A/cm2 V_DS=40 V J_G=10 A/cm2 V_GS=5 V

スイッチング特性

負荷インダクタンス 寄生インダクタンス

S

₁

S

₂

R

_G

C

_GD

C

_GS フリー ホイール ダイオード

S

₁

: オン⇒MOSFETターンオン

V

_GS

V

_DS

負荷インダクタンスにエネルギー蓄積

D

S

G

パワー MOSFET

i

_D

S

₂

: オン⇒MOSFETターンオフ

（i

_D

増大）

フリーホイール・ダイオード⇒オン

I

_L

i

_G

v

_D

v

_G

ターンオンとターンオフ過渡特性

1 t 0 t₂ t₃ t₄ GS V GP V TH V t t t ) (t v_G ) (t i_D ) (t v_D DS V ) ( _GP ON V V L I ) ( _GS ON V V V_GP: ゲート・プラトー電圧 5 t 0 t6 t7 GS V GP V TH V t t t ) (t v_G ) (t i_D ) (t v_D DS V L I ) ( _GS ON V V ) ( _GP ON V V ゲート・プラトー 期間 ゲート・プラトー 期間 C_GDを充電 CGDを放電

スイッチング損失

① ② ① ② ①と②それぞれで損失（Q₁とQ₂で損失）

Q

₃

ゲート充放電による損失エネルギー（各セル当たり）

2

2

1

2

1

GS IN GS G OFF ON

E

Q

V

C

V

E







Q

₁

Q

₂

V

_DS1

V

_DS2

Q

₃

Q

₃

: パワーMOSFET









2 5 7 2 1 3 2 2 2

2

1

2

1

L ON DS L DS L GS IN L ON off turn D D on turn D D GS G T

f

Q

V

i

v

dt

i

v

dt

DR

I

f

C

V

I

V

t

t

I

V

t

t

DR

I

P











_

_

_

_



































 

















L DS L DS GS

R

V

I

V

V

2 1

,

全損失電力（各セル当たり）

ターンオン⇒



 



transient on turn D D on turn

i

v

dt

E

ターンオフ⇒



 



transient off turn D D off turn

i

v

dt

E

オン状態での損失エネルギー（各セル当たり）

スイッチング時の導通による損失エネルギー（各セル当たり）

2 L ON

I

DR

D

: デューティ比

v_D v_G i_D

R

_L f: スイッチング周波数 ほぼゲートプラトー期間でのエネルギー損失

dV

_D

/dt耐性（容量性ターンオン）(1)

C

_GD

C

_GS G D S

R

C

L

制御FET 同期 整流 FET 制御 回路

負荷

降圧DC-DCコンバータ

制御FET： 高速スイッチング必要 ⇒制御FETオンオフ時の早い電圧変化が同期整流FETへ影響 同期整流FET： 低オン抵抗（低入力容量）必要

t

dt

dV

C

C

C

t

v

D GS GD GD G

















)

(

制御FETの高速ターンオン

⇒同期整流FETのドレイン電圧変化によるゲート電圧変化 （寄生インダクタンスによる電圧のリンギングを無視） IN GS GD GD MAX G

V

C

C

C

v





, （ゲート・ソース容量のインピーダンス ≪ ゲート抵抗 R_G ） ⇒ゲートに誘起される最大電圧 V_IN: 入力電圧 TH MAX G

V

v

_,



V

_IN ⇒同期整流FETターンオン ⇒入力電源がオン状態の制御FETと 誤動作の同期整流FETを介して短絡 ⇒制御と同期整流FETの破壊 入力 電源 ⇒電流パス① ① ②

dV

_D

/dt耐性（容量性ターンオン）(2)

制御FETの高速ターンオン

⇒同期整流FETのドレイン電圧変化によるゲート電流変化 （ゲート・ソース容量のインピーダンス ≫ ゲート抵抗 R_G）















dt

dV

C

t

i

_GD

(

)

_GD D

















dt

dV

C

R

i

R

v

D GD G GD G G ⇒ゲートに誘起される電圧 TH G

V

v



⇒同期整流FETターンオン ⇒入力電源がオン状態の制御FETと 誤動作の同期整流FETを介して短絡 ⇒制御と同期整流FETの破壊 GD G TH D

C

R

V

dt

dV















max

誤動作しない最大の同期整流FETの

ドレイン電圧変化

⇒スイッチング電源の最大周波数決定

誤動作回避⇒ C

_GD

の低減

dV

_D

/dt耐性（寄生バイポーラ・ターンオン）(1)















dt

dV

C

t

i

_D

(

)

_DB D DB

C

PB

R

ソース メタル N-ドリフト 空乏層 N+ P-ベース ゲート N＋_基板

S

G

D

DB

C

PB

R

寄生NPN トランジスタ

急峻なドレイン電圧変化による変位電流

DB PB bi D

C

R

V

dt

dV















max

上記 i

_D

によるp-ベース内の電圧が

N

+

_{とp-ベース間のビルトイン電位 V}

bi

に到達

⇒寄生NPNトランジスタがオン

（BV

_CBO

⇒BV

_CEO

（BVの低下）⇒デバイスの破壊）

Z

L

R

_PB





_SQ,PB N

ドレイン電圧変化の最大値

ρ

_SQ,PB

: P-ベース領域のシート抵抗

変位電流 変位 電流

dV

_D

/dt耐性（寄生バイポーラ・ターンオン）(2)

ソース メタル N-ドリフト N+ P-ベース領域 ゲート N＋基板 P＋領域

dV

_D

/dtによる寄生バイポーラ・ターンオンの対策

Z

L

Z

L

R

_PB





_SQ,PB 1





_SQ,P 2

ρ

_SQ,P+

: P

＋

領域のシート抵抗

⇒P-ベース領域の抵抗低減（P

＋

_{領域の追加）}

L₁ L₂

P-ベース領域の抵抗低下

（注）高温動作時に寄生バイポーラ・トランジスタのターンオンは顕著

高温 ⇒ビルトイン電圧の低下 ⇒シート抵抗の増加により、p-ベース領域での電圧降下増大

IGBTの構造

対称型IGBT（ノンパンチスルー型） 非対称型IGBT（パンチスルー[フィールド・ストップ]型） エミッタ コレクタ N-バッファ層 P+_領域 N-ドリフト（ベース）領域 ディープ P+ N+ N+ ゲート P

JFET

P エミッタ コレクタ P+_領域 N-ドリフト（ベース）領域 N+ N+ ゲート P

JFET

P N_P+ N_P+ N_D x_JP+ N_D N_B N_CS N_CS x_JC x_JP+ x_JC ドーピング濃度（対数） ドーピング濃度（対数） ディープ P+ ディープ P+ ディープ P+ J₁ J₁ J₂ J₂ 使用基板：N型（ブロッキング電圧に応じた濃度と厚み） P+_{領域（コレクタ）：ウエハの裏面からP}+_拡散 N-バッファとN-ドリフト領域：エピタキシャル成長 （ブロッキング電圧に応じた濃度と厚み） 使用基板：P+_{型（コレクタ）}

IGBTの動作と出力特性

I

_C

V

_GE

V

_CE

BV

_R,AS

_V

GE

=0

BV

_R,S

BV

_F オン状態 逆方向 ブロッキング状態 順方向 ブロッキング状態

IGBT出力特性

大きなゲート電圧（MOSFET線型領域） 低いゲート電圧（MOSFET飽和領域） ・ブロッキング特性（PNPオープン・ベース・ブレークダウン電圧） ・オン状態特性 IGBTの特性⇒PiNダイオード特性 IGBTの特性⇒飽和電流特性（∵ベース電流飽和） （短絡回路保護に有効） 対称型耐圧：N-ベース領域の厚みと少数キャリア・ライフタイム起因 非対称型耐圧：N-ベースの低濃度領域の厚み起因 順方向ブロッキング：J₂逆バイアス、J₁順バイアス 逆方向ブロッキング：J₁逆バイアス、J₂順バイアス 対称型耐圧： 順方向ブロッキングの場合と同じ 非対称型耐圧：J₁で高耐圧をサポート不可⇒DC用途 ・スイッチング損失（ターンオフ） スイッチング損失とオン状態電圧降下⇒トレードオフの関係

IGBT等価回路

エミッタ コレクタ P+_領域 N-ドリフト領域 P+ N+ N+ P+ ゲート P

JFET

P ③MOSFET ① PNPバイポーラ・トランジスタ

①

③

②

② 寄生サイリスタ

等価回路

（寄生サイリスタ有り）

等価回路

（寄生サイリスタ無し）

C

PNP

R

_S

E

NPN

MOSFET

PNP

MOSFET

C

E

寄生サイリスタの動作を完全に抑えることが重要

（ディープP

+

_{⇒ラッチアップ抑制）}

対称型順方向ブロッキング特性（１）

オープン・ベース・ブレークダウン条件

1





_{E T}

M

PNP







L C PNP C

I

I

I









_P



T

L

l

cosh

1





γ_E（≒1）: J₁の注入効率 α_PNP: ベース接地電流利得 α_T: ベース輸送ファクター(1) M: キャリア増倍係数 PNP L C

I

I







1

D C S N

qN

V

W

l





2



_{VC: コレクタ電圧} L_P: ベース領域の正孔の拡散長

(V)

10

24

.

5



13 34



_D PP

N

BV





n PP C

BV

V

M





1

1

n=6: P+_{/Nダイオードの場合} ∵

)

cm

(

3 D

N

⇒ Nドリフト層（中性領域）の正孔の拡散長に起因 N-P+ _P+ 空乏領域 W_N l E(y) I_{E αPNPIC} I_C I_L J₁ J₂ N_D E_m y 中性領域 V_C

0 50 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 8 10 12 14 D ri ft R eg ion Wid th (μm )

Drift Region Doping Concentration (1013_cm-3₎

対称型順方向ブロッキング特性（２）

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 100 125 150 175 200 225 250 Op en B ase B rea kd own V oltag e (V)

Drift Region Width (μm)

3 14 cm 10 1   N ②

オープン・ベース・ブレークダウン電圧と

ドリフト領域長さの関係（N

_D

：パラメータ）

_{オープン・ベース・ブレークダウン電圧：1200V} ①

（対称型順方向ブロッキング特性）

3 14 cm 10 25 . 1    D N ① 3 13 cm 10 5 . 2    N ⑤ 3 13 cm 10 0 . 5    D N ④ ④ ③ ② ⑤

ドリフト領域幅とドーピング濃度の関係

（マージンをみて1300Vでプロット）

最小ドリフト領域幅(190μm)の時の

ドーピング濃度⇒6×10

13

_cm

-3

_{（最適値）}

α_T 増大に起因 M 増大に起因 N_Dが低いとL_pが大きくなりα_Tが増大 N_Dが高いと高電界によりキャリア発生増大

非対称型順方向ブロッキング特性（１）

1





_{E T}

M

PNP







E L C PNP C

I

I

I

I











NB P NB



T

L

W

_,

cosh

1





PNP L C

I

I







1

オープン・ベース・ブレークダウン条件

DNB NB nE AE nE NB P AE nE NB P E

N

W

D

N

L

D

N

L

D





, ,



∵





n PP NPT

BV

V

M





1

1

n=6: P+_{/Nダイオードの場合} ⇒ Nバッファ層（中性領域）の 正孔の拡散長に起因 ⇒ P+_{コレクタからNバッファ層への} 正孔の注入効率に起因 （N_DNBが上昇するとγ_Eは低下） （N_DNBが上昇⇒L_P,NB低下⇒α_Ｔ低下） N-空乏領域 W_N E(y) I_{E αPNPIC} I_C I_L J₁ J₂ N_D E_m N_NB W_NB y P+ _P+ 中性領域 V_C D_P,NB: Nバッファ層の少数キャリアの拡散係数 N_AE: P+_{コレクタ領域のドーピング濃度} D_nE: P+_{コレクタ領域の少数キャリアの拡散係数} L_nE: P+_{コレクタ領域の少数キャリアの拡散長} N_DNB: Nバッファ層のドーピング濃度 L_P,NB: Nバッファ層の少数キャリアの拡散長 （Nバッファ層内での空乏層広がり無視）

非対称型順方向ブロッキング特性（２）

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

1E+16 1E+17 1E+18

αT , γE Op en B ase B rea kd own V oltag e (V)

Buffer Layer Doping Concentration (cm-3₎

3 13

cm

10

5







D

N

μm

100



N

W

K

300



T

μs

1

0



P



2 1

2

2

_S N D N m N m C

W

qN

W

E

W

E

E

V























S N D m

W

qN

E

E







1

ノンパンチスルー電圧：V

_NPN 2 2

2

2

2



_















S N D N C D S D m S NPT

W

qN

W

V

qN

qN

E

V







α_T γ_E

μm

10



NB

W

オープン・ベース・ブレークダウン電圧導出

① オープン・ベース・ブレークダウン条件から M を導出

② M の式からV

_NPT

を導出

オープン・ベース・ブレークダウン電圧の Nバッファ層ドーピング濃度依存性

③ V

_NPT

の式から V

_C

を導出

∵

オン状態の特性

エミッタ コレクタ P+_領域 N-ドリフト領域 P+ N + ゲート P PiN ダイオード MOSFET PiN ダイオード MOSFET I_C I_E エミッタ コレクタ SAT

I

TH G

V

V ≫

F

V

V

C F

I

C

I

TH G

V

V



MOSFET飽和領域 MOSFET線形領域 TH G

V

V



p I_C I_E A A ゲート

PiNダイオード＋MOSFET モデル

IGBTのPiN領域のキャリア分布と電圧降下

N-n=p P+ J₁ y



















_















a a a a a C HL

L

d

L

y

L

d

L

y

qL

J

y

p

y

n

cosh

2

sinh

sinh

cosh

2

)

(

)

(



酸化膜 ゲート コレクタ -d d 2d 0 N

W

n p

Log

蓄積層 D

N

 op

n

オン状態のキャリア分布 （懸垂線）

キャリア分布

PiN部分の電圧降下











a



qV kT a a a M

e

L

d

L

d

L

d

L

d

F

2 4

tanh

25

.

0

1

tanh

























_











a i a C PiN F

L

d

F

n

qD

d

J

q

kT

V

2

ln

2

, D_a: 両極性拡散係数





τ_HL: 高レベル・ライフタイム a PiN F d L V _, : 最小 at 



D

D



n

p

D

D

D

_a



2

_{n p n}



_p

at



N-ドリフト領域では、電子密度nと正孔密度pは等しく、 それらは不純物密度N_D（平衡状態の電子密度）より

対称型IGBTのオン特性

（MOSFET線型モデル）

0.01 0.1 1 10 100 1000 0 1 2 3 4 5 C olle ct or C u rr en t D en sit y (A/ cm2 ) Collector Voltage (V) 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 C olle ct or C u rr en t D en sit y (A/ cm 2 ) Collector Voltage (V)

nm

50



OX

t

μs

10



HL



2 -1 -1

s

V

cm

200



ni



μm

15



p

V 15  G V Knee V V 10 V 8 V 6

μm

200



N

W

V 15  G V V 10 8V _6V MOSFET 1200V耐圧 (0.3Ωcm2₎ 消費電力密度 100W/cm2

μm

5

.

1



CH

L

V_knee: PiN電流がコレクタ電圧の指数関数になっていることに起因 コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性（線形スケール） コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性（対数スケール） 2 ,IGBT



1

.

28

V

at

G



10V,

C



100

A/cm

F

V

J

V

(MOSFET 1200V耐圧⇒VDS=30V at IDS=100A/cm2)

V

22

.

1

,

A/cm

82

2 _,





_{F IGBT} C

V

J

2

W/cm

100

:

)

(

10V,

at

V



消費電力密度

P

ブロッキング電圧: 1200V, V_TH=5V ブロッキング電圧: 1200V, V_TH=5V

対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）

N-ベース P+ J₁ コレクタ

p

n



p

0 0

n

N

n

₀ N

p

₀ キャリア 密度

(Log)

AE

N

p



n

J

p

J

C

J

0

y

y

電流 密度 N

y

y_P  P

n

₀ 高レベル注入時のキャリアと電流密度分布（at J₁）

μm

200



N

W

J

_C



100

A/cm

2 対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布（PNP領域） 3 18

cm

10

1







AE

N

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17 1E+18 0 50 100 150 200 H ole C arrie r C on cen tr at ion (c m -3 ) Distance (μm) μs 20  HL  μs 2  HL  μs 200  HL  μs 2 . 0  HL  D N 0 p J₁ J₂ τ_HLが増大⇒N-ベース領域全体に高密度の正孔（電子）が広がる ⇒ N-ベース領域の抵抗が低下する（伝導度変調）

対称型IGBTのオン状態の電圧降下

μm

200



N

W

2

A/cm

100



C

J

3 15 ,

5

10

cm







JFET D

N

3 13

cm

10

5







D

N

nm

50



OX

t

6

.

0



A

K

-1 -1 2

s

V

cm

450



ni



μm

30



Cell

W

μm

16



G

W

μm

5

.

1



CH

L

-1 -1 2

s

V

cm

1000



nA



V

15



G

V

V

5



TH

V

対称型IGBTのオン状態の電圧降下と高レベル・ライフタイムの関係

μm

5



JP

x





_JFET



0

.

96



cm



τ_HL> 20 μs: V_P+N, V_MOSFET > V_NB τ_HL< 4 μs: V_P+N, V_MOSFET < V_NB τ_HL< 2 μs: V_NB 急に増大 ⇒ スイッチング・スピード限定 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 1 10 100 1000 On -s ta te V olt ag e D rop (V)

High Level Lifetime τ_HL（μs）

ON V N P V _ NB V MOSFET V ブロッキング電圧: 1200V

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17 1E+18 0 20 40 60 80 100 H ole C arrie r C on cen tr at ion (c m -3 ) Distance (μm)

非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（１）















N NB a



a NB N

L

W

W

L

y

W

W

p

y

p









sinh

sinh

)

(

₀ μs 20  HL  μs 2  HL  μs 200  HL  μs 2 . 0  HL  非対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布（PNP領域） D N 0 p J₁ J₂

μm

100



N

W

2

A/cm

100



C

J

N

_AE



1



10

19

cm

3

μm

10



NB

W

N-バッファ層のドーピング濃度が低い場合（< 5×10

16

_cm

-3

）

⇒N-ベースとN-バッファ層内では高レベル注入

N-ベースとN-バッファ層内の正孔密度分布（n=p）

N-バッファ層 （N-バッファ層のドーピング濃度が低い場合（< 5×1016 _cm-3_））

_{正孔密度分布はN-バッファ層のない}

対称型IGBTと同様の形状になる

非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（２）

N-バッファ層のドーピング濃度が高い場合（> 1×10

17

_cm

-3

_）

N-ベース P+ J₁ コレクタ

p

n



)

(

W

_NB



p

_p

₍

_y

_N

₎

N

n

₀ N

p

₀ キャリア 密度

(Log)

AE

N

p



n

J

p

J

C

J

y

y

電流 密度 N

y

y_P ) (y_P n オン状態のキャリアと電流密度分布（at J ） N-バッファ NB n_0, NB

p

_0,

)

(

W

_NB



p

0

 P

n

_0, 低レベル 注入 高レベル 注入

μm

100



N

W

2

A/cm

100



C

J

3 19

cm

10

1







AE

N

μm

10



NB

W

非対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布（PNP領域） 1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17 0 20 40 60 80 100 Hol e C ar ri er Den sity (c m -3 ) Distance (μm) D N J₁ J₂ N-バッファ層 3 17 cm 10 1   NB N NB N  1 NB N  2 NB N  5 . 0 NB N  10

N

_D



5



10

13

cm

3 N-ベース領域 τ_HL=2 μs N-バッファ領域 τ_HL ⇒ N_NB でスケール

N-バッファ層のドーピング濃度上昇⇒ N-ベース内の正孔密度低下

（コレクタからN-バッファ層への正孔の注入効率低下）

N-ベース内のライフタイム低減と同様の効果

0 1 2 3 4 0.1 1 10 100 1000 On -s ta te V olt ag e D rop (V)

High Level Lifetime τ_HL（μs）

非対称型IGBTのオン状態の電圧降下

3 16

cm

10

1







NB

N

低ドーピングN-バッファ層の場合 （N-ベース領域 & N-バッファ層：高レベル注入）

μm

100



N

W

2

A/cm

100



C

J

3 15 ,

5

10

cm







JFET D

N

3 13

cm

10

5







D

N

nm

50



OX

t

6

.

0



A

K

-1 -1 2

s

V

cm

450



ni



μm

30



Cell

W

μm

16



G

W

μm

5

.

1



CH

L

-1 -1 2

s

V

cm

1000



nA



V

15



G

V

V

5



TH

V

μm

5



JP

x





_JFET



0

.

96



cm



ON V N P V _ NB V MOSFET V ブロッキング電圧: 1200V 非対称型IGBTのオン状態の電圧降下と高レベル・ライフタイムの関係 τ_HL> 1 μs: V_P+N, V_MOSFET > V_NB τ_HL< 0.4 μs: V_P+N, V_MOSFET < V_NB τ < 0.3μs: V 急に増大 ⇒ スイッチング・スピードは増大するが、導通損失も増大する ・最大スイッチング・スピード：非対称型IGBT＞対称型IGBT ・オン状態の電圧降下：非対称型IGBT＜対称型IGBT

μm

10



NB

W

同じブロッキング電圧で比較

トランスペアレント・エミッタIGBTオン状態のキャリア分布

N-ベース P+ J₁ コレクタ

p

n



0

)

(

y

p

p

_N



キャリア 密度 AE

N

p



n

J

p

J

C

J

y

電流 密度 N

y

y_P ) (y_P n NB

p

_0,  P n_0,

(Log)

 P W オン状態のキャリアと電流密度分布（at J₁） 0 0 1E+16 2E+16 3E+16 4E+16 5E+16 0 50 100 150 200 H ole C arrie r C on cen tr at ion (c m -3) Distance (μm) J₁ J₂ ) (cm3 AES N 19 10 1 18 10 1 17 10 1 16 10 1 p₀

P

+

_{コレクタ（薄型エミッタ） ドーピング濃度低減}

⇒ p₀低下（ N- ベース内の正孔密度低下） ⇒スイッチング・スピード上昇 ⇒導通損失増大

N-ベース内のライフタイム

低減と同様の効果

薄型エミッタIGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布（PNP領域） D AES TE eff AE AE

N

K

N

N

N



_,



₁ μm 200  N W 2 A/cm 100  C J 3 13 cm 10 5   D N N_AES: P+_{拡散の表面濃度}

20

1



TE

K

μm 1   P W N_D: N- ベース領域のドーピング濃度 D_nE: NAEでスケーリング （N- ベース領域）

μs

20



HL



トランスペアレント・エミッタIGBTオン状態の電圧降下

0 1 2 3 4 5 6 7 8

1E+16 1E+17 1E+18 1E+19

On -S ta te V olt ag e D rop (V) P+_{Surface Concentration N} AES(cm-3)

μm

200



N

W

2

A/cm

100



C

J

3 15 ,

5

10

cm







JFET D

N

3 13

cm

10

5







D

N

nm

50



OX

t

6

.

0



A

K

-1 -1 2

s

V

cm

450



ni



μm

30



Cell

W

μm

16



G

W

μm

5

.

1



CH

L

-1 -1 2

s

V

cm

1000



nA



V

15



G

V

V

5



TH

V

μm

5



JP

x





_JFET



0

.

96



cm



ON V N P V _ NB V MOSFET V ブロッキング電圧: 1200V 薄型エミッタIGBTのオン状態の電圧降下

μm

1



 P

W

V_P+N: 薄型エミッタIGBT （対称型） ＜ 対称型IGBT 3 19

cm

10

1

at

,

 







_{P N MOSFET AES} NB

V

V

N

V

N 減少 ⇒ V 徐々に増大 P+ コレクタ領域からN-ベース領域への正孔電流注入効率

％

30

)

(

_{N C}



_E,ON



p

y

J

J



（N- ベース領域）

μs

20



HL



スイッチング特性（ターンオン）

ターンオン（フォワード・リカバリ）時 （電流立上り期間が再結合ライフタイムより短い場合） ⇒IGBTのドリフト領域で伝導度変調の発生なし t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆ DC

V

PT

I

M

I

DC

V

T ON

V

_, t DC

V

M

I

M

I

t D ON

V

_,

V

_ON,D PR

I

IGBT

整流器

対称型IGBTターンオン（フォワード・リカバリ）時における ドリフト領域の順方向電圧降下の時間変化 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 For w ar d V oltag e D rop (V) Time (ns) 9 10 5 9 10 2 9 10 1 ) s (Acm rate Ramp a 2 1

電流のRamp rateの上昇ともに電圧降下のピーク値も上昇

ターンオン ターンオフ

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷）：

対称型IGBTの場合

t

)

(t

v

_G

0

0

0

t

t

GS

V

)

(t

v

_C

)

(t

i

_C ON C

I

_, ON C

I

_,

1

.

0

CS

V

0

0

OFF I

t

_, インダクタ負荷 MOSFETチャネル電流遮断 OFF V t _, ON

V

（１）第１フェーズ：

ゲート・ターンオフ～コレクタ電圧がコレクタ供給電圧に到達

コレクタ電流 ⇒一定値で流れ続ける（∵インダクタ負荷） ⇒① （MOSFETチャネル電流遮断→正孔電流がコレクタ電流に寄与） コレクタ電圧 ⇒線形でコレクタ供給電圧（＋ダイオード順方向電圧）まで上昇⇒② （P-ベースとN-ベース接合(J₂)における空間電荷がこの上昇電圧をサポート）

（２）第２フェーズ：コレクタ電圧がコレクタ供給電圧に到達後

コレクタ電流 ⇒IGBTからダイオードに移り、指数関数的に低下⇒③ （時定数はP+_{コレクタとN-ベース接合近傍のN-ベース} 領域内にある蓄積電荷の再結合時間に依存） コレクタ電圧 第１ フェーズ 第２フェーズ 電流テイル ① ② ③

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷）：

対称型IGBTの場合

コレクタ電流ターンオフ時間

（0.1×オン状態コレクタ電流に至る時間）

HL HL OFF I

t



ln(

10

)

1

.

15



2

,





高レベルライフタイムのみに依存 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 C olle ct or V oltag e (V) C olle ct or C u rr en t D en sit y (A/ cm 2 ) Time (μs)

対称型IGBTのターンオフにおけるコレクタ電流と電圧

3 13

cm

10

5







D

N

2 ,ON



100

A/cm

C

J

μs

10



HL



μm

200



N

W

3 17 0

1

.

06

10

cm







p

3 13

cm

10

25

.

6







SC

p

μs

5

.

11

,OFF



I

t