上次我們讨論了IGBT關斷過程中門極電壓對載流子的控制過程，得出結論：通過門極電阻改善IGBT關斷特性并不理想，主要因為IGBT是雙極性器件，我們控制門極電壓實際上控制的是注入到N-基區的電子電流，而并非IGBT的集電極電流。在文章開始，我們提出了一個問題，增加IGBT的門極關斷電阻，電壓尖峰反而增加？上次并沒有說清楚，這次我們在深入讨論一下這個問題。

圖1. IGBT關斷過壓與門極電阻關系[1]

我們都知道IGBT在導通過程中，由于電導調制現象，N-基區内部充滿了自由載流子（電子和空穴），IGBT的關斷過程就是将這些在開通過程中注入的多餘載流子的抽取過程，當這些載流子抽取完後，IGBT就完全關斷了。那在IGBT關斷過程中下降電流主要包含哪幾部分呢?

圖2. IGBT關斷電流組成部分

其中，無論是MOS溝道注入到N-基區電子電流Inmos，還是由于耗盡層拓展掃出的電子電流Isn，都會有相應的空穴電流從P 發射區注入至N-基區，兩者有β倍數關系（PNP晶體管共射極電流放大系數，上一講也提到過）。而複合電流Irn和Irp主要由載流子壽命決定，時間常數要遠大于存儲載流子抽取的時間常數和小關斷電阻情況下MOS溝道關斷時間常數，對外呈現為拖尾電流，等後面有機會我們在聊一下拖尾電流。

在第一講中，我們主要讨論了IGBT關斷過程中MOS溝道電子電流的減小過程，感興趣的可以回顧一下：

IGBT關斷過程是怎樣的？(1)

今天我們主要聊一下由于耗盡層擴展引起的載流子掃出過程。上一次我們提到，在IGBT關斷過程中，内部N-基區可以分為兩部分，一部分是空間電荷區域（Space Charge Region, SCR），另一部分為載流子存儲區（Carrier Storage Region, CSR）,如圖3所示。

圖3. IGBT關斷内部載流子和電場分布

其中，空間電荷區也稱為耗盡層，在IGBT的關斷過程中，耗盡層不斷從右向左擴展（從IGBT的發射極向集電極）。在擴展的過程中，CSR邊緣處的電子和空穴在電場E的作用下會被掃出。在這裡需要強調一下：耗盡層隻是沒有了多餘的存儲電荷，但是并不代表此區域沒有電流。

為了更清晰的分析該過程，還是需要敲幾個公式說明一下，不然很難說清楚。

首先，看一下空間電荷區（SCR）的電場強度公式，電場的斜率由泊松方程決定：

式中，q為電荷常數，εsi為矽介電常數，Neff為SCR區有效摻雜濃度，是N-基區本征摻雜濃度ND (非常低，類似本征)、空穴濃度pSCR和電子濃度nSCR三者之和，由公式（2）決定：

其中，pSCR和nSCR分别為SCR區的空穴和電子的濃度，由公式（3）決定：

其中，A為芯片的橫截面積，vp和vn分别為空間電荷區空穴與電子的漂移速度(與電場相關，場強越大，速度越快)，可以看出SCR區電子和空穴的濃度主要取決于電子電流和空穴電流的大小（可以先假定電子和空穴的漂移速度為恒值）。

通過對電場強度進行積分，就可以求出IGBT集電極-發射極電壓VCE ：

式中，WSCR為空間電荷區的寬度，WSCR = WB-WD。

以上就是決定IGBT關斷特性得幾個關鍵方程，通過以上公式可以得出結論：

1、IGBT電壓上升過程中，SCR面積是不斷變大的，因為電場的積分就是電壓。

2、電場的斜率主要取決于SCR區的電子電流和空穴電流大小，如果電子電流太小，會導緻過高的電場斜率，在相同的三角形面積（電壓相同）情況下，更易産生過高的場強，IGBT有雪崩擊穿的風險，這也是為什麼IGBT門極電阻取值不能太小的原因。

回到主題，讓我們再來對比兩種不同的門極關斷電阻對載流子掃出行為的影響。圖4給出了在兩種不同關斷電阻驅動下，IGBT集電極電壓上升到母線電壓後的内部載流子、以及電場強度示意圖。這裡隻是去定性分析，小電阻和大電阻是相對的，大家不要去糾結具體的電阻值。

圖4. IGBT電流剛開始下降時的内部載流子和電場分布

可以看出，由于圖4（a）門極電阻較小，在電流開始下降之初，空間電荷區的電子電流已經為0，根據公式（1），可知SCR區電場梯度會更陡，最大場強也會更大，同時SCR區的寬度會更窄，CSR區的剩餘載流子也會更多。相反，如果适當增大門極關斷電阻，在電流開始下降之初，空間電荷區還有少量的電子電流，如圖4（b）所示，那SCR區的電場斜率會變緩，相應的寬度也會變寬。SCR區域變寬就能掃出更多的電子和空穴，剩餘的CSR載流子也會更少。

為了更好的理解門極電阻對内部載流子和電場的控制過程，給大家出道幾何數學題，有興趣的可以算算。

兩個IGBT在關斷過程中的同一時刻，如果門極電阻較大的IGBT内部SCR區電子電流增加10%，那最終導緻的電場斜率會減小多少呢？

圖5 電場對比示意圖

答案：20%。因為SCR區電子電流增加10%，那就意味着空穴電流要減小10%（總的負載電流不變），因此SCR有效摻雜濃度Neff 就會減小20%，根據公式（1）就可以得出答案了。

通過對比可知，在電壓上升過程中，适當增加門極電阻會導緻在電流剛開始下降時載流子存儲區（CSR）内部的剩餘的電荷變少。這也就意味着，在電流的下降過程中，需要移出的電荷也會變少，圖6展示了兩種不同電阻在電流下降之初内部剩餘電荷。

圖6. IGBT電流剛開始下降時的内部剩餘載流子

為了更好的理解該機理，可以舉個例子，下班後大家都着急回家，兩個電梯一個裡面站滿15個人，一個裡面隻有5個人，當兩個電梯同時到達第一層時，門開後，哪個電梯的人先走完呢？當然是隻有5個人的電梯了。該過程相當于IGBT集電極電壓上升到母線電壓後，二極管處于正向偏置，這個時候就相當于給這些載流子開了一扇門，大家迫不及待地跑出去了。

還有一點需要強調一下，在實際的系統中，換流回路會存在一定的雜散電感，電流的下降會在IGBT兩端産生過壓，這個過壓會進一步增大空間電荷區，因此耗盡層的擴展又會掃出一部分載流子，這是一個相互作用的過程，等電壓尖峰逐漸恢複至母線電壓時，剩餘的載流子也所剩不多了，類似圖7所示。

圖7. 拖尾剩餘電荷

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