場所 群馬大学理工学部（桐生キャンパス）総合研究棟

ＩＧＢＴの伝導とスイッチング特性

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

号室

第３１６回群馬大学アナログ集積回路研究会

日時

年

月

日（金）

〜

概要

• IGBT

の構造

• IGBT

の動作と出力特性

• IGBT

等価回路

•

ブロッキング特性

• 対称型IGBT（順方向と逆方向ブロッキング、リーク電流）、非対称型IGBT （順方向と逆方向ブロッキング、リーク電流）

•

オン状態の特性

• オン状態モデル、対称型IGBT（オン状態キャリア分布、オン状態電圧降下）、非対称型IGBT（オン状態キャリア分布、

オン状態電圧降下）

•

電流飽和モデル

• 対称型IGBT（キャリア分布、出力特性、出力抵抗）、非対称型IGBT（キャリア分布、出力特性、出力抵抗）

•

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（無負荷状態、抵抗負荷、インダクタ負荷）、ターンオフ期間の エネルギー損失、パワー損失最適化

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

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

対称型順方向ブロッキング特性

N-

P⁺ P⁺

空乏層

W_N

W_DN l E(y)

E(y)

I_E α_PNPI_C I_C

I_L

J₁ J₂

オープン・ベース・ブレークダウン条件

⇒ リーチスルー

2 N D

RT qN W

BV ^ 

リーチスルーの場合のブレークダウン電圧

1

 _{E T}M

PNP  



L C PNP

C I I

I  





T cosh l L

 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 M: キャリア増倍係数

PNP L C

I I



  1

D C S

N qN

W V

l   2 ^VC:

コレクタ電圧

L_P: ベース領域の正孔の拡散長 N_D

(V) 10

24 .

5  ^{13 34}

 _D

PP N





1

1

n=6: P⁺/Nダイオードの場合

∵ E_m

E_m

y

y

) cm ( ^3 ND

0 50 100 150 200 250 300 350

0 2 4 6 8 10 12 14

Drift Region Width (μm)

Drift Region Doping Concentrarion (10¹³cm^-3)

オープン・ベース・ブレークダウン電圧とドリフト領域幅の関係

（ドリフト領域幅とドーピング濃度の最適値導出）

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

100 125 150 175 200 225 250

Open Base Breakdown Voltage (V)

Drift Region Width (μm)

3 14 cm 10

1 ^

D 

②N

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（

：パラメータ）

①

（対称型順方向ブロッキング特性）

3 13 cm 10 5 .

7  ^



③N

3 14 cm 10 25 .

1  ^

D 

① N

3 13 cm 10 5 .

2  ^

D 

⑤N

3 13 cm 10 0 .

5  ^

D 

④N

④

② ③

⑤

Nドリフト領域内の少数キャリアライフタイム τ =10μs と仮定

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

の時の

ドーピング濃度⇒

×

（最適値）

α_T 増大に起因 M 増大に起因

対称型逆方向ブロッキング特性

N-

P⁺ P⁺

空乏層

W_N

W_DN l

E(y)

E(y)

I_E α_PNPI_E I_C

I_L J₁ J₂

⇒ リーチスルー

2 N D

RT qN W

BV ^ 

リーチスルーの場合のブレークダウン電圧 N_D

E_m

E_m

⇒

対称型順方向ブロッキング特性と同様

電界ピーク位置

対称型順方向ブロッキング

対称型逆方向ブロッキング

対称型逆方向ブロッキング特性

（オープン・ベース・ブレークダウン条件）

y

y

対称型構造のリーク電流特性 （温度依存性）

リーク電流密度

（空乏層内の発生電流密度

）

⇒内部のPNP

トランジスタが

を増幅

PNP SCG L

J J



  1

D C S SC

i SC

i D

SCG N

V q n

n

J qW 





 2



τ_SC: 空間電荷発生ライフタイム

1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00

0 200 400 600 800 1000

Leakage Current Density (A/cm2 )

Collector Voltage (V) J_L (T=450 K)

J_L (T=400 K) J_L (T=350 K)

J_L (T=300 K)

J_SCG (T=300 K)

3 13 cm 10

5 ^

D  N

リーク電流密度のコレクタ電圧依存性

μs

 20

SC p ^10μs

μm

200 WN

) 1 (



 _T M

PNP 







T cosh l L

 1

 LP  Dpp

τ_p: ベース領域少数キャリア・ライフタイム

p

P q

D  kT 

D_p: ベース領域少数キャリア拡散係数 k: ボルツマン定数

T: 絶対温度 q: 素電荷量

μ_p:ベース領域少数キャリア移動度

1E-07 1E-06 1E-05 1E-04

0 200 400 600 800 1000

Leakage Current Density (A/cm2)

Collector Bias (V)

対称型構造のリーク電流特性 （ライフタイム依存性）

LL

p 

 

3

13 cm

10

5 ^

D  μm N

 200 WN

TM

PNP 

 

（低レベル・ライフタイム）

J_L (τ_LL=1 μs)

J_L (τ_LL=100 μs) J_L (τ_LL=10 μs)

LL

SC 

  2

リーク電流密度のコレクタ電圧依存性 ベース中性領域内の拡散電流

 300 T

ベース空乏層内の発生電流

μs) 0 1 (

μs) 1

( _LL   _{L LL} 

L J

J  

μs) 0 1 (

μs) 1

( _LL   _{L LL} 

L J

J  

μs) 0 1 (

μs) 100

( _LL   _{L LL} 

L J

J  

μs) 0 1 (

μs) 100

( _LL   _{L LL} 

L J

J  

仮定

非対称型順方向ブロッキング特性（１）

N- 空乏層

W_N

W_DN l E(y)

E(y)

I_E α_PNPI_C I_C

I_L

J₁ J₂

⇒リーチスルー N_D

E_m

E_m

N_NB W_NB

⇒リーチスルー後 W_DNB

E_m E(y)

y

y y

2

2 _S ^N

D

RT qN W

V ^ 

(V) 10

24 .

5  ^{13 3 4}

 _D

PP N

BV

2

2 N S

D N

C

PT qN W

W E

BV ^{ } 

①

③

②

① 空乏層幅

Ｎベース幅

の場合の耐圧

② リーチスルー時（

臨界電界）のコレクタ電圧

③ パンチスルー発生後の耐圧

⇒実際には、オープン・ベース・ブレークダウン

現象が発生し、耐圧は BV_PTより低下する。

E₁

面積 V_C: コレクタ電圧

) cm ( ^3 ND

P⁺ P⁺

（注）①～③の縦軸のスケールは異なる

非対称型順方向ブロッキング特性（２）

1

 _{E T}M

PNP  



E L

C PNP

C I I I

I   





T cosh W L _,

 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 D L N D W N

N L D

 

,

 ,

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 W_NB: Nバッファ層の幅

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）

∵





M   1

1

V_NPT: ノンパンチスルー電圧

n=6: P⁺/Nダイオードの場合

非対称型順方向ブロッキング特性（３）

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

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

Normalized Low Level Lifetime τLL/τp0

Doping Concentation (cm^-3)

Nバッファ層の少数キャリアの拡散長





P LL

N

 N

1

1

 0



  ^{E E}  ^kT

D kT i

E E D i P

LL r i e r i

N e n

N

n _{  }





 



 

 



 1

0

LL NB P NB

P D

L _,  _, 

低レベル・ライフタイムの経験式（Empirical Model） Empirical Model

低レベル・ライフタイム（Nドリフト領域のドーピング濃度に依存）

0 0 p n



   E_r: 再結合中心のエネルギー位置

規格された低レベル・ライフタイムとドーピング濃度の関係

1000

, eV 3 .

0 

 

Er

1 , eV 55 .

0 

 

Er

NB P NB

P q

D _,  kT  _,

μ_P,NB: Nバッファ層内の少数キャリア移動度

3

16 cm

10

5 ^

REF  N

非対称型順方向ブロッキング特性（４）

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

Open Base Breakdown Voltage (V)

Buffer Layer Doping Concentration (cm^-3)

3

13 cm

10

5 ^

D  N

μm

100 WN

K

 300 T

μs

0 1

P

1 2

2

2 _S ^N

D N

m N

m

C qN W

W E E W

V E

 

 



 



 



S N D m

W E qN

E^{1  } 

ノンパンチスルー電圧：V

2 2

2 2

2 

 



 





S N D N

C D

S D

m S NPT

W qN W

V qN

qN V E







α_T γ_E

μm

10 WNB

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

の式から

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

②

の式から

を導出

∵

非対称型逆方向ブロッキング特性

(cm) 10

60 .

2 ^{10 78}

,

 

 _NB

NB

D N

(V) W 10

24 .

5  ^{13 34}

 _NB

RB N

BV

N-

P⁺ P⁺

空乏層

E(y)

I_E I_C

J₁ J₂

E_m

y

∵ Nベースの中性領域幅が広いため α_T小 ブロッキング電圧：J₁ 接合のアバランシェ耐圧

N_NB

NB

WD_,

アバランシェ破壊時のNバッファ層内の空乏層広がり

) cm ( ^3 NNB

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

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

Depletion Width (μm)

Breakdown Voltage (V)

Buffer Layer Doping Concentration (cm^-3)

耐圧と空乏層広がりのNバッファ層ドーピング濃度依存性

非対称型構造の順方向リーク電流（１）

リーク電流密度

（空乏層内の発生電流密度

）

⇒内部のPNP

トランジスタが

を増幅

PNP SCG L

J J



 

1 D

C S SC

i SC

i D

SCG N

V q n

n

J qW 





 2

 ^τSC: 空間電荷発生ライフタイム

低いコレクタ電圧の場合（空乏層が

バッファ層にリーチスルーする前）

Base N T Buffer N T T

PNP   , -  , -

  

NB P NB NB

P NB

L W C

E L W C E N

P NB P

Buffer N

T e

J e J y

J W

J ^, _,

) (

) (

- ,

 



 

 

 

D C S

DN qN

W  2 V

 





Base N

T^{, -} cosh W W L _,

1

 



1

M J_P(W_NB)^：NバッファとNドリフト界面での正孔電流密度

) ( _N

P y

J ^：NバッファとP⁺コレクタ接合での正孔電流密度

高いコレクタ電圧の場合（空乏層が

バッファ層にリーチスルーした後）

⇒空乏層はNバッファ層内にほとんど広がらない

⇒空乏層内の発生電流は飽和する J_L

は

に対し一定

J_L

は

とともに上昇

非対称型構造の順方向リーク電流（２）

1E-06 1E-05 1E-04

0 200 400 600 800 1000

Leakege Current Density (A/cm2 )

Collector Voltage (V)

3

13 cm

10

5 ^

D  N

μm

100 WN

K

300 T

μs

1

SC

μm

10 WNB

JSCG

この V_Cでリーチスルー

リーク電流密度のコレクタ電圧依存性

（Nベース領域）

Nバッファー層のライフタイムの濃度依存考慮 V_C=386V

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

0 200 400 600 800 1000

Leakege Current Density (A/cm2)

Collector Voltage (V)

K) 300 (T  J_SCG

K) 450 (T  J_L

K) 400 (T  J_L

K) 300 (T  J_L

K) 350 (T  J_L

リーク電流密度のコレクタ電圧依存性

（温度パラメータ）

（N_DBパラメータ）

真性キャリア密度の温度依存により 温度上昇とともにリーク電流増加

) cm 10 1

( _DB   ^{17 3}

L N J

) cm 10 1

( _DB   ^{16 3}

L N J

3

16cm

10

1 ^

DB  N

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

ISAT

TH

G V

V ≫

VF V^C

IF

IC

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＋

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

y J p y

n 2cosh

sinh sinh

cosh ) 2

( )

( 

酸化膜

ゲート コレクタ

-d d

2d 0 WN

n p

Log

蓄積層

ND



nop

キャリア分布（懸垂線）

キャリア分布

PiN

部分の電圧降下

   





a a

e M

L d

L d L

d L

F d ²

tanh4

25 . 0 1

tanh _

 



 





 



 

a i

a C PiN

F qD n F d L

d J q

V kT

ln 2 2

,

D_a: 両極性拡散係数

HL a

a D

L  

τ_HL: 高レベル・ライフタイム L_a: 両極性拡散長

a PiN

F d L

V _, : 最小 at 





D D

D_a  2 _{n p n}  _p at 

対称型 IGBT のオン特性（ MOSFET 線形領域）

kT qV

a i

a C

PiN

e F

L F d d

n

J 2qD ^{, 2}



 



 

   

        ^ _ ^ _



 







 











  

 



a a a

a a

a M

L d B

L d B B

L d L

d B

L d B

L d b

b q

kT V

2 2 2

2 2

2 2

tanh 1

tanh ln 1

sinh tanh

1 arctan tanh

1

sinh 1

8

p

b n



 

p n

p

B n











 









OX ni

CH C MOSFET

F C V V

J pL V

V C Z

L V I

 

 





, I_C  J_C pZ









i a

C MOSFET

F PiN

F IGBT

F C V V

J pL L

d F n qD

d J q

V kT V

V   



 



 



 2 ln 2 

, ,

,

コレクタ電流密度

コレクタ電圧

2 for

2 ² 



 



 

a a

M L

d L

d q

V kT ^{ } for 2

8

3 



a L

d

M L

e d q

V kT ^a

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

Collector Current Density (A/cm2)

Collector Voltage (V) 0

200 400 600 800 1000

0 1 2 3 4 5

Collector Current Density (A/cm2 )

Collector Voltage (V)

nm

 50 tOX

μs

10

HL _ni  200cm²V^-1s^-1 μm

15 p

V

15 VG

VKnee

V 10

V 8

V 6

μm

 200 WN

V

15 VG

V

10 8V

V 6

MOSFET 1200V耐圧 (0.3Ωcm²) 消費電力密度 100W/cm²

μm 5 .

1 LCH

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 1.28V at _G 10V, _C 100A/cm

F V J

V

(MOSFET 1200V耐圧⇒V_DS=30V at I_DS=100A/cm²) V

22 . 1

, A/cm

82 ² _, 

 _{F IGBT}

C V

J

W/cm2

100 : ) ( 10V,

at V_G  消費電力密度 P_D

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

(MOSFET 1200V耐圧⇒I_DS=18A/cm², V_DS=5.41V, at P_D=100W/cm²)

対称型 IGBT のオン特性 ^（ _MOSFET ^{ピンチオフモデル）}

0 200 400 600 800 1000

0 1 2 3 4 5

Collector Current Density (A/cm2)

Collector Voltage (V)

   









 





 ₂

,

1 2 1

TH G

OX ni

C CH TH

G MOSFET

F C V V

J V pL

V

V 

V

15 VG

VKnee

V 10

V 8

V 6

ブロッキング電圧: 1200V, V_TH=5V

 

  



 _, ²_,

2 1

MOSFET F

MOSFET F

TH G

CH OX ni C

C V V V V

L Z pZ C

J

I 

nm

50 tOX

μs

10

HL _ni  200cm²V^-1s^-1 μm

15 μm p

 200

WN L_CH 1.5μm

コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性

コレクタ電流大⇒

飽和特性（ゲート電圧低の場合）

ピンチオフモデルを含む

電流式

MOSFET

を横切る電圧降下（ドレイン電圧）

（MOSFETピンチオフモデルを用いた場合）