陽極短路結構模擬與分析

圖4.23 陽極短路結構的 I-V 特性曲線圖

陽極短路結構如圖4.2 所示，我們設定陽極端 P⁺長度為Lp，其值為20µm，

陽極端N⁺長度為Ln，其值為1.5µm。圖 5.23 所示為陽極短路結構的 I-V 特性曲 線圖，陽極短路結構在陽極偏壓約4V 附近的時候，會有負電阻的現象。這是因 為，流過 P⁺陽極下方的電流造成足夠的壓降，使 P⁺陽極/N-epi 接面順偏，電洞 便從陽極注入漂移區，產生傳導調變的作用。此時，漂移區阻值會調降，使得元 件跨壓減小，相對使陽極端接面的順偏跨壓加大，陽極注入更多的電流，形成圖

中顯示的負電阻區域，而此時陽極短路結構才算導通。模擬結果顯示，陽極短路 結構需要較高的Onset voltage Vonset。因此，在同樣的電壓下，陽極短路結構的 導通電流較小，這也使得發生閂鎖效應時的電壓稍微增加。由於兩種結構的 P-base 層結構參數均相同，其阻值亦相同，因此，閂鎖電流在同個量值。

圖 5.24 所示為陽極短路結構在不同 VG時的 I-V 特性曲線圖，我們設定 VG

分別為5V、7.5V、10V、12.5V 與 15V，觀察可以看到，當 VG增加時，導通電 流亦增加。而由於VG較小的時候，導通電流較小，需要比原本稍大的電壓才能 導通，使得Vonset稍微增加。圖5.25 所示為陽極短路結構在不同 Lp對 Ln的比值

（即Lp/Ln）時的Vonset比較圖，此處我們固定Lp為20µm，調變 Ln分別為1.5µm

與5µm（即 Lp/Ln值為12 與 4）來觀察對 Vonset的影響。結果顯示，當Ln較大的 情況下，Vonset 較大。這是因為 Ln增加時，可以吸引更多的電流，導致流經 P⁺ 陽極下方的電流減少，因此需要較大的Vonset。

圖5.24 陽極短路結構在不同 VG時的I-V 特性曲線圖

圖5.25 陽極短路結構在不同 Ln值時的Onset Voltage

圖 5.26 為陽極短路結構在元件關閉時的陽極端電流的變化情形。觀察可以 發現，傳統結構在元件關閉時延遲了一陣時間，這是因為內部殘留的少數載子只 能靠複合與擴散來消退，而在陽極端加入了 N⁺區域的陽極短路結構，給了電子 移走的路徑，明顯的改善了傳統結構在關閉時間上延遲的缺點，改善的量級則是 從幾十微米（µs）加快到幾百奈米（ns）。圖 5.27 為不同的 Lp對 Ln的比值（即 Lp/Ln）時，元件關閉時陽極端的電流變化情形，設定條件為 Lp=20µm，Ln分別 為1.5µm 與 2.5µm（即 Lp/Ln值為12 與 8）。結果顯示，較大的 Ln有較快的關閉 時間，這是因為，陽極端的 N⁺區域越大，對移除電子的速度越快，加快了元件 關閉的速度。另外，值得注意的是，在圖5.27 中，雖然在陽極端提供了 N⁺區域 來移除電子，但是電流下降至某值時，依然會持續一小段時間，曳尾效應（Current tail）仍然存在。這是因為在移除電子的時候，電流會經過 P⁺陽極下方，使得元 件在關閉後，電洞依然注入漂移區，導致元件關閉時間稍微延遲，如圖 5.28 與 圖5.29 所示。而這樣的現象會隨著 Ln的增加而逐漸消失。

圖5.26 陽極短路結構在元件關閉時電流曲線圖

圖5.27 陽極短路結構在不同 Ln值時的關閉電流曲線圖

圖5.28 陽極短路結構在 Current_tail 時的電子流分布圖

圖5.29 陽極短路結構在 Current_tail 時的電洞流分布圖

整理前面對陽極短路結構的模擬結果，加入之前傳統 LIGBT 結構的部分，

我們可以歸納成表格5.5。

傳統LIGBT 結構 陽極短路結構

BV (V) 710 710

Ron (mΩ-cm²) 2.90 4.74

Turn-off Time 13.2 (µs) 290 (ns)

Vonset (V) 1.5 4.13

表5.5 陽極短路結構模擬結果表