元件耐高壓與操作原理

功率元件之所以可以耐高壓是由於PN 接面對於逆向偏壓的承受能力，但是 當逆向偏壓超過其所能承受的範圍時，PN 接面的空乏區便會發生崩潰現象，而 接面尚未崩潰前所能承受的最大電壓稱為崩潰電壓（Breakdown Voltage，簡稱 BV）。因此，對於元件耐壓的程度乃功率元件設計的一項重點。基本上，崩潰機 制可以分為單一接面的基納崩潰（Zener breakdown）[13]、雪崩崩潰（Avalanche

breakdown）與雙接面的穿透崩潰（Punch-through breakdown） [14]，以下便逐 一進行說明：

（i）基納崩潰（Zener breakdown）：

圖2.7 基納崩潰示意圖

基納崩潰是透過一種穿隧機制而發生在高度摻雜的PN 接面之中。在一個高 度摻雜的接面之中，其處於逆向偏壓時，接面兩邊之的傳導帶（Conduction band）

與價帶（Valance band）會非常的接近，使得在 P 型區的價帶之中的電子可以直 接穿隧至N 型區的傳導帶之中而發生崩潰，如圖 2.7 所示。一般來說，基納崩潰 的崩潰電壓都不高，通常在於六伏特以內，大多用於低壓穩壓電路裡。在功率元 件設計方面，應盡量避免此種崩潰現象的發生。

（ii）穿透崩潰（Punch-through breakdown）：

當 PN 接面兩邊被施予逆向偏壓時，空乏區隨之形成並且承受其逆偏的電 壓。隨著逆向偏壓提高，空乏區長度也隨之增加，當空乏區已經無法擴張而碰觸 到另一個接面的時候，便使得空乏區彼此相連形成連續的接面，造成電流可以沒 有阻礙的直接通過，此現象稱為穿透崩潰。要避免穿透崩潰的發生，只要提供足

夠讓空乏區延伸的空間即可。

（iii）雪崩崩潰（Avalanche breakdown）：

考慮一個PN 半導體在兩邊均非重摻雜的清況下，給予 PN 接面逆向偏壓，

則空乏區內的載子會由熱游離（Thermal-generation）或從準中性區（Quasi-neutral region）漂移，此時受到因逆偏電壓產生的接面電場而加速，當電場大至可以提 供載子足夠的動能，使得原子內的電子由價帶（Valance band）躍升至傳導帶

（Conduction band），在這樣的過程中，稱為衝擊游離（Impact ionization）[14]。

在空乏區內載子衝擊的過程中，會產生新的電子-電洞對（Electron-hole pairs），

這些新產生的電子-電洞對會因為電場作用下往相反方向移動，造成逆向偏壓電 流增加，而此時如果新產生的電子-電洞對又獲得足夠的能量來解離其他的原 子，若這樣的現象持續重複，便會引發雪崩般的效應，所以稱之為雪崩崩潰。這 也是一般功率元件主要的崩潰機制。

圖2.8 空乏區載子衝擊游離示意圖

載子在空乏區游離的過程中，所產生電子-電洞對的程度，定義為游離係數

（Ionization coefficients），其中αn 與αp 分別代表電子與電洞的游離係數，αn

表示電子在空乏區內沿著電場反方向進行一公分所產生的電子-電洞對數量，同

理αp 亦表示電洞在空乏區內沿著電場方向進行一公分所產生的電子-電洞對數

此處我們稱M(x)為增值係數（Multiplication coefficient），觀察（2.5）式，

注意分母的部分，當分母為零的時候，也就是說全部的電子-電洞對 M(x)或通稱 為增值係數趨近於無限大的時候，便會發生崩潰現象，所以崩潰條件為

( )

此式又稱為游離積分（Ionization integral），在模擬與接面崩潰理論公式的推導，

為一重要公式。此積分值在數值分析中可以知道何時會發生崩潰。而一般在用這

2.4.2 降低表面電場原理（Reduced Surface Field，簡稱 RESURF）

由於IGBT 為一垂直結構的元件，其耐壓方面便是靠加厚磊晶層（Epitaxy）

來提升元件耐壓，但是如此也會增加元件的導通電阻。然而，LIGBT 是一個橫 向結構的元件，相同的方式已經不再適用。因此，橫向結構的元件在耐壓方面主 要是利用降低表面電場原理（Reduced Surface Field，簡稱 RESURF）[15][16]來 提升元件耐壓。因其具有使用較薄的磊晶層便能達到耐高壓的優點，所以在高壓 元件的設計上常常使用RESURF 原理。

RESURF 的精神在於它能夠使漂移區完全空乏（Fully depleted），為此捨棄 以往所使用的厚磊晶層而改用較薄的磊晶層。由於基底和漂移區接面的空乏區往 上向漂移區延伸，加上P 基極區和漂移區之間的空乏區亦往漂移區延伸，兩邊空 乏區綜合的效果使得漂移區的空乏區長度大幅增加，改變接面電場的形狀，並且 降低表面電場的強度達到耐壓的效果。

圖2.9 RESURF 示意圖

（a）低偏壓（b）高偏壓

圖2.9 所示為一 RESRUF 結構，我們對其兩端施加電壓，而高電壓接在陽 極端（即N⁺端）上。當陽極端電壓為低偏壓時，P 基極區（即圖 2.9 中的 P⁺區）

與N 型漂移區（即圖 2.9 中的 N-epi 區）接面產生空乏區，由於元件跨壓不大，

尚未看得出元件的耐壓效果，最大電場則發生在P 基極區/N 型漂移區接面處。

隨著陽極電壓的提升，P 基極/N 型漂移區接面的空乏區延伸與下方 P 基底 /N 型漂移區接面的空乏區連接起來，往整個漂移區延伸。當漂移區被完全空乏 之後，電場出現近似梯形形狀，這時候的電場積分便是元件承受電壓的大小，只 要電場雙峰的部分均低於臨界電場（Critical electric field）EC值，元件便不會發 生崩潰。

為了要讓漂移區完全空乏是RESURF 的主要精神，所以漂移區便是非常重 要的一塊區域，因為它的厚度或是摻雜濃度，都會影響整個元件耐壓的能力，如 圖 2.10 所示，因此在後面章節裡功率元件設計的時候，取得漂移區的重要參數

便是首先要著手的部分，最佳化的參數可以使漂移區完全空乏，使得兩個電場峰 值相近似，如此電場積分的面積才會大，以提升元件耐壓程度。

（a）N-epi 濃度高（b）N-epi 濃度高（c）最佳 N-epi 濃度 圖2.10 漂移區濃度對 RESURF 的影響

另外要注意的地方是，當陽極電壓提升的時候，空乏區在漂移區中延伸，

會造成空乏區曲率過大而導致電場提早崩潰，根據邊緣電場擁擠效應的理論下，

我們會加入場板（Field Plate）[14]技術於閘極端和陽極來改善此情形，至於應覆 蓋長度調整部分，在後面章節模擬時將會加以討論。

2.4.3 導通機制

LIGBT 在結構上屬於橫向式的元件結構，雖然和 IGBT 的垂直式元件結構不 同，卻是由IGBT 所衍生而來，如圖 2.11 所示。把 IGBT 位於元件底部的陽極端 改置於相對陰極端的另一邊，陽極與陰極中間依然存在著漂移區，如此便成為橫 向結構的LIGBT 了。

(a) IGBT (b) LIGBT 圖2.11 垂直與橫向 IGBT 結構圖

（i）元件導通原理

如圖 2.12 所示，在 LIGBT 元件結構中，從圖中可以看出是由 MOSFET 與 BJT 所組成，除了元件結構本身的 NMOS 與 PNP 電晶體之外，還存在著寄生電 阻RS與寄生NPN 電晶體，而 LIGBT 的整個元件結構均可以等效成如圖 2.13 所 示的等效電路。

圖2.12 LIGBT 元件結構等效組成

圖2.13 LIGBT 元件結構等效電路圖

這兩種元件也是利用閘極控制的元件，當我們對閘極（Gate）施予電壓時，

閘極下方的 P 基極區會產生反轉層形成通道，元件便從關閉切換至導通的狀態

（Turn-on），此時若陽極端有給予電壓時，電子流將會流經通道進入PNP 電晶體 的基極（即N 型漂移區）。所以當元件要導通時，NMOS 必先導通。當 BJT 基極 電流足夠使 P⁺陽極/N 型漂移區接面順偏時，P⁺陽極端便會注入大量電洞，造成 元件通過大電流，此時元件導通。當大量的電洞由P⁺陽極端注入N 型漂移區時，

會降低原本N 型漂移區的電阻值，使得元件導通電阻大幅下降，導通大量電流，

我們稱之為傳導調變效應（Conductivity modulation）。

等效電路圖裡的寄生電阻RS主要來自閘極下方P 基極的電阻值，元件在一 般工作的情形之下，流經電阻RS上的電流會形成電壓降，當流經RS的電流造成 的壓降足夠大時，便會使寄生的NPN 電晶體導通，並且與 PNP 電晶體造成正回 授的效果，引發大電流流經元件，無法再從閘極控制電流而失去功能，不僅電流 失去控制甚至會損毀元件或電路，此現象稱之為閂鎖效應（Latch-up）[14]。而 改善閂鎖效應最直接辦法就是降低電阻值 RS，在文獻回顧中有提到，可以改變 電流流向或陰極端電極深入 P 基極，另一個方法則是重摻雜 P 基極來降低電阻 值RS。

（ii）元件關閉特性

當元件的閘極不加偏壓或是給予逆偏壓時，通道反轉層消失，此時元件由導 通切換至關閉（Turn-off）的狀態，但在元件關閉時，大量少數載子僅能靠複合 與擴散而緩慢消退，這些少數載子遺留的關係，延緩了元件關閉的速度，其改善 方面可以參考文獻回顧部分，主要是把殘留的少數載子能夠經由其他路徑快速移 走，加快關閉速度。

元件關閉時，即使兩端有跨壓存在，由於通道無法形成，電子無法經由通道 流至PNP 電晶體的基極端，稱之為靜態特性（Static Blocking Characteristic）。此 時若繼續提高陽極端電壓，P 基極/N 型漂移區接面的空乏區隨之擴大，其內的電 場也隨之加大，載子的游離概率上升，當游離積分趨近於1 時，元件將產生崩潰 現象，此時元件陽極與陰極兩端跨壓，定義為元件崩潰電壓（Breakdown voltage，

簡稱BV）。由圖 2.14 可以看到 LIGBT 其電場分布情形。

圖2.14 LIGBT 橫向電場示意圖

P 基極/N 型漂移區接面受到逆偏電壓產生空乏區，而接面電場分布於空乏區 之中，根據帕松方程式（Poisson’s equation）[13]：

s 是，接面電場峰值必須小於臨界電場（Critical electric field）EC值（EC≅ 3×10⁵ V/cm），才不會導致接面崩潰。因為功率元件常常應用於高電壓的情況下，就電 場積分為電壓來看，在電場峰值未達臨界電場 EC值的時候，可以盡量的擴展三 角形面積來提高電場積分，也就是增加元件長度。然而元件過長會增加導通電阻 與晶片成本，若採用穿透二極體（Punch-through Diode）理論，藉著改變電場形 狀，則可達增加電場積分面積而提高耐壓的效果。

（iii）穿透二極體（Punch-through diode）

圖2.15 所示為穿透二極體示意圖[14]，有個一般 N/P⁺接面的二極體，假設其

圖2.15 所示為穿透二極體示意圖[14]，有個一般 N/P⁺接面的二極體，假設其