第四章 模擬結果與討論
4.1.1 高壓整合
Adjacent LIGB T Main LIGB T
Anode1 C athode1 C athode Anode
流 密漸大
Adjacent SA-LIGB T Main SA-LIGBT
Anode1 Cathode1 Cathode Anode
(電子流）
(電洞流）
C athode Anode
Gate
PNP
NMOS PNP C athode1
RNb u f f er
RP- su b
1. 改變元件間 N 型磊晶層的偏壓：在高壓整合中，可發現元件與元件間 N 型磊晶層偏壓在 5V 比浮接要略好一點，但漏電電流值的差異極微，如圖 4.6 所示，圖中縱軸 I(CATHODE1)為相鄰高壓元件陰極端的電流流密，橫 軸 I(ANODE)為主要高壓元件陽極端的電流流密。當元件間 N 型磊晶層偏 5V 可使 P 型基板的空乏區較大，如圖 4.7，使圖(b)中
R
P sub− 略增，使漏電 流減少。漏電電流值的差異微小是因元件間 N 型磊晶層偏壓對 P 型基板的 阻值影響極微，所以對漏電流的影響差異很小。(a) LIGBT
(b) SA-LIGBT
圖 4.6 高壓整合，元件間 N 型磊晶層不同偏壓比較
80V 0V 0V 3.43V
N-epi P-sink N-epi P-sink N-epi
P-sub
C athode C athode1
RP- su b
RP- sin k 1 RP- sin k
Leakage C urrent(Hole)
(a)元件間 N 型磊晶層浮接
80V 0V 5V 0V 3.43V
N-epi P-sink N-epi P-sink N-epi
P-sub
低電位通道區較(a)小
C athode
RP- su b
RP- sin k
Leakage C urrent(Hole) C athode1
(b)元件間 N 型磊晶層偏壓 5V 電洞。圖中 leakage_300 及 leakage_400 分別表示溫度在 300K 及 400K 的 I(Cathode1)/I(Anode)。在不同溫度對 LIGBT，SA-LIGBT 的漏電流影響不 同，主要是由於當溫度上升時，載子遷移率降低，使圖 4.7 中 RP-sub阻值增 加，造成 LIGBT 的漏電流減少；溫度上升時，雖然 SA-LIGBT 的基板阻 值亦會增加，但因溫度上升，陽極端的二極體較易導通，電流中電洞的成 份大幅增加，造成漏電流增加。
0.0000E+00 1.0000E-02 2.0000E-02 3.0000E-02 4.0000E-02 5.0000E-02 6.0000E-02
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
P-sink(um)
I( ca tho de 1) /I (a nod e
leakage_300 leakage_400
(a) LIGBT
0.0000E+00 5.0000E-03 1.0000E-02 1.5000E-02 2.0000E-02 2.5000E-02 3.0000E-02 3.5000E-02 4.0000E-02
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
P-sink(um)
I( ca tho de 1) /I (a nod e
leakage_300 leakage_400
(b) SA-LIGBT
圖 4.8 高壓整合，P-sink 寬度與漏電流關係圖
0.0000E+00
leakage_300 leakage_400
(a) LIGBT
leakage_300 leakage_400
(b) SA-LIGBT
圖 4.9 高壓整合，元件間距離與漏電流關係圖
3. 改變 N 型保護環及 P 型保護環偏壓：隔離結構中 N 型保護環浮接，且 P 型保護環偏壓在接地端效果最佳，如圖 4.10 所示，圖中縱軸 I(Cathode1) 為相鄰高壓元件陰極端的電流流密，橫軸 I(Anode)為主要高壓元件陽極端 的電流流密。因為漏電流的主要成份為電洞，將 P 型保護環偏壓在接地端
板的低電位通道退化，但由於其影響圖中的 RP-sub及 RP-sub1
極微
而影響 RPring較大，使 P 型保護環吸收較少漏電流，則流至鄰近高壓元件陰極端的漏電 流略增。由表 4.2 可知，高壓整合且順向偏壓下，P 型保護環的偏壓影響 較大。
(a) LIGBT
(b) SA-LIGBT
圖 4.10 高壓整合，隔離結構不同偏壓下，陽極電流與漏電流關係圖
Anode1 Cathode1 Cathode Anode Nring1 Nring
Pring
Main LIGBT
Adjacent LIGBT Cathode1 Cathode
RP-sub1
RP-sink1 RP-sink
Leakage Current(Hole) RP-sub
(a)N 型保護環浮接，P 型保護環浮接
Anode1 C athode1 C athode Anode
Nring1 Nring Pring
Main LIGB T
Adjacent LIGB T Cathode1 Cathode
RP-sub1
RP-sink1 RP-sink
Leakage Current(Hole) RP-sub
Pring
RP-ring
(b)N 型保護環浮接，P 型保護環接地
圖 4.11 高壓整合 LIGBT 含隔離結構，P 型保護環不同偏壓電流流密及等 效電路圖
N-epi1 P-sink1 Nring1 Pring Nring P-sink N-epi
P-sub
80V 0V 0V 0V 3.43V
Cathode Cathode1
RP-sub1
RP-sink1 RP-sink
Leakage Current(Hole) RP-sub
Pring
RP-ring
(a)N 型保護環浮接，P 型保護環接地
N-epi1 P-sink1 Nring1 Pring Nring P-sink N-epi
P-sub
80V 0V 5V 0V 5V 0V 3.43V
低電位通道較退化
Cathode Cathode1
RP-sub1
RP-sink1 RP-sink
Leakage Current(Hole) RP-sub
Pring
RP-ring
(b)N 型保護環偏壓在 5V，P 型保護環接地
圖 4.12 高壓整合 LIGBT 含隔離結構，N 型保護環不同偏壓電位圖及等效
表 4.2 不同偏壓的漏電流比較 (a)LIGBT
N 型保護環 P 型保護環 I(Cathode1)/I(Anode) 浮接 浮接 3.7438E-02 浮接 接地 1.6695E-02 5V 浮接 3.7923E-02 5V 接地 1.8131E-02
(b)SA-LIGBT
N 型保護環 P 型保護環 I(Cathode1)/I(Anode) 浮接 浮接 2.4852E-02 浮接 接地 1.0805E-02 5V 浮接 2.5626E-02 5V 接地 1.1740E-02
4. 調變 P-sink、N 型保護環及 P 型保護環寬度：從圖 4.13~圖 4.15 可知，
不論增加 P-sink、N 型保護環或 P 型保護環均能大幅減少漏電流。P-sink 及 P 型保護環寬度增加可吸收較多基板中電洞載子，而 N 型保護環增加元 件間距離，減少漏電流。圖中 leakage_300 及 leakage_400 分別表示溫度在 300K 及 400K 的 I(Cathode1)/I(Anode)。在相同面積下，使用隔離結構比沒 有使用的隔離效果佳，其中又以增加 P 型保護環寬度所得到的效益最大，
因為當 P 型保護環寬度增加時，圖 4.12 中 RPring阻值下降，RP-sub1阻值上 升，有助於吸收 P 型基板中電洞，減少漏電流。其餘依序分別為 N 型保護 環寬度，P-sink 寬度(含隔離結構)，P-sink 寬度，元件間距離，如圖 4.16 所示，圖中縱軸 I(Cathode1)為相鄰高壓元件陰極端的電流流密，橫軸 I(Anode)為主要高壓元件陽極端的電流流密。
0.0000E+00
leakage_300 leakage_400
(a) LIGBT
leakage_300 leakage_400
(b) SA- LIGBT
圖 4.13 高壓整合含隔離結構，P-sink 寬度與漏電流關係圖
0.0000E+00
leakage_300 leakage_400
(a) LIGBT
leakage_300 leakage_400
(b) SA-LIGBT
圖 4.14 高壓整合含隔離結構，N 型保護環寬度與漏電流關係圖
0.0000E+00
leakage_300 leakage_400
(a) LIGBT
leakage_300 leakage_400
(b) SA-LIGBT
圖 4.15 高壓整合含隔離結構，P 型保護環寬度與漏電流關係圖
(a) LIGBT
(b) SA-LIGBT
圖 4.16 相同面積下，高壓整合，不同佈局參數隔離效果比較 註：PSL 表 P-sink 寬度，D 表元件間距離，NL 表 N 型保護環寬度，PL 表 P 型保護環寬度
4.2 反向偏壓
當負載具電感性，開關切換時會造成陽極偏壓低於陰極端(接地端)，
但 LIGBT 的陽極端為 P+，如圖 4.17 所示，形成反向偏壓的 PN 接面，因 此本體二極體不會導通。但反向偏壓的跨壓降在 N 型緩衝區與 P+陽極接 面，此接面的耐壓不高，若反向偏壓過大使接面電場過大，造成 PN 接面 崩潰，導致元件損毀，如圖 4.18 所示。
C a th o d e
An o d e
Ga te
PN P
N M OS
圖 4.17 LIGBT 等效電路圖
圖 4.18 LIGBT 陽極 PN 接面電場