igbtの伝導とスイッチング特性kobaweb/lecture/igbt20161127.pdfigbtの動作と出力特性...

ＩＧＢＴの伝導とスイッチング特性

松田順一

群馬大学

1

場所群馬大学理工学部（桐生キャンパス）総合研究棟502号室

第３１６回群馬大学アナログ集積回路研究会

日時 2016年12月02日（金） 14:00〜17:00

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

2

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

NP+ NP+

ND

xJP+

ND

NB

NCS NCS

xJC

xJP+

xJC

3

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

4

IC

VGE

VCE

BVR,AS VGE=0 BVR,S

BVF

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

RS

E

NPN

MOSFET

PNP

MOSFET

C

E

5

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P+⇒ラッチアップ抑制）

対称型順方向ブロッキング特性

N- P+ P+

空乏層

WN

WDN l

E(y)

E(y)

IE IC αPNPIC

IL

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

2N

S

DRT W

qNBV

リーチスルーの場合のブレークダウン電圧

1 MTEPNP

LCPNPC III

P

TLlcosh

1

γE（≒1）: J1の注入効率

αPNP: ベース接地電流利得

αT: ベース輸送ファクター

M: キャリア増倍係数 PNP

LC

II

1

D

CSN

qN

VWl

2

VC: コレクタ電圧

LP: ベース領域の正孔の拡散長

ND

(V) 1024.5 4313 DPP NBV nPPC BVV

M

1

1

n=6: P+/Nダイオードの場合

∵

6

Em

Em

y

y

)cm( 3

DN

0

50

100

150

200

250

300

350

0 2 4 6 8 10 12 14

Dri

ft R

egio

n W

idth

(μ

m)

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）

7

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

100 125 150 175 200 225 250Op

en B

ase

Bre

akd

ow

n V

olt

age

(V)

Drift Region Width (μm)

314 cm 101 DN②

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（ND：パラメータ）オープン・ベース・ブレークダウン電圧：1200V

①

（対称型順方向ブロッキング特性）

313 cm 105.7 DN③

314 cm 1025.1 DN①

313 cm 105.2 DN⑤

313 cm 100.5 DN④

④

③ ②

⑤

Nドリフト領域内の少数キャリアライフタイム τp=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(190μm)の時のドーピング濃度⇒6×1013cm-3（最適値）

αT 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

8

N- P+ P+

空乏層

WN

WDN l

E(y)

E(y)

IE IC αPNPIE IL

J1 J2


2

2N

S

DRT W

qNBV

リーチスルーの場合のブレークダウン電圧

ND

Em

Em

⇒ 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 ⇒ J2

対称型逆方向ブロッキング ⇒ J1

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）

9

リーク電流密度 JL （空乏層内の発生電流密度 JSCG） ⇒内部のPNPトランジスタが JSCG を増幅

PNP

SCGL

JJ

1

D

CS

SC

i

SC

iDSCG

N

VqnnqWJ

2

τSC: 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

Leak

age

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)

Collector Voltage (V)

JL (T=450 K)

JL (T=400 K)

JL (T=350 K) JL (T=300 K)

JSCG (T=300 K)

313 cm 105 DN

リーク電流密度のコレクタ電圧依存性

μs 20SC μs 10pμm 200NW

)1( MTPNP

P

TLlcosh

1

ppP DL

τp: ベース領域少数キャリア・ライフタイム

pPq

kTD

Dp: 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

μp: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

Leak

age

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)

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）

10

LLp

313 cm 105 DNμm 200NW

MTPNP

（低レベル・ライフタイム）

JL (τLL=1 μs)

JL (τLL=100 μs)

JL (τLL=10 μs)

LLSC 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

K 300T

ベース空乏層内の発生電流

)μs 0 1()μs 1( LLLLLL JJ




仮定

非対称型順方向ブロッキング特性（１）

11

N-

空乏層

WN

WDN l

E(y)

E(y)

IE IC αPNPIC

IL

J1 J2


ND

Em

Em

NNB

WNB

⇒ リーチスルー後

WDNB Em

E(y)

y

y

y

2

2N

S

DRT W

qNV

(V) 1024.5 4313 DPP NBV

2

2

N

S

DNCPT W

qNWEBV

①

③

②

① 空乏層幅 WDN ≪ Ｎベース幅 WN の場合の耐圧

② リーチスルー時（Em < EC: 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 BVPT より低下する。

E1

面積 VC: コレクタ電圧

)cm( 3

DN

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）

12

1 MTEPNP

ELCPNPC IIII

NBPNB

TLW ,cosh

1

PNP

LC

II

1

オープン・ベース・ブレークダウン条件

DNBNBnEAEnENBP

AEnENBP

ENWDNLD

NLD

,

,

DP,NB: Nバッファ層の少数キャリアの拡散係数

NAE: P+コレクタ領域のドーピング濃度

DnE: P+コレクタ領域の少数キャリアの拡散係数

LnE: P+コレクタ領域の少数キャリアの拡散長

NDNB: Nバッファ層のドーピング濃度

WNB: Nバッファ層の幅

LP,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）

∵

nPPNPT BVVM

1

1

VNPT: 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）

13

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

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

No

rmal

ized

Lo

w L

eve

l Lif

etim

e τ L

L/τ p

0

Doping Concentation (cm-3)

Nバッファ層の少数キャリアの拡散長

REFDP

LL

NN

1

1

0

kTEE

D

ikTEE

D

i

P

LL irir eN

ne

N

n

1

0

LLNBPNBP DL ,,

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

Er: 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 rE

1 ,eV 55.0 rE

NBPNBPq

kTD ,,

μP,NB: Nバッファ層内の少数キャリア移動度

316 cm 105 REFN

非対称型順方向ブロッキング特性（４）

14

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, γ E

Op

en B

ase

Bre

akd

ow

n V

olt

age

(V)

Buffer Layer Doping Concentration (cm-3)

313 cm 105 DN

μm 100NW

K 300T

μs 10 P

21

22N

S

DNmN

mC W

qNWEW

EEV

S

NDm

WqNEE

1

ノンパンチスルー電圧：VNPN 2

2

222

S

ND

N

C

D

S

D

mSNPT

WqN

W

V

qNqN

EV

αT

γE

μm 10NBW

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 M の式からVNPT 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 VNPT の式から VC を導出

∵

非対称型逆方向ブロッキング特性

15

(cm) 1060.2 8710

,

NBNBD NW(V) 1024.5 4313 NBRB NBV

N- P+ P+

空乏層

E(y)

IE IC

J1 J2

Em

y

∵ Nベースの中性領域幅が広いため αT 小

ブロッキング電圧：J1 接合のアバランシェ耐圧

NNB

NBDW ,

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

NBN

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

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

Dep

leti

on

Wid

th (

μm

)

Bre

akd

ow

n V

olt

age

(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）

16

リーク電流密度 JL （空乏層内の発生電流密度 JSCG） ⇒内部のPNPトランジスタが JSCG を増幅

PNP

SCGL

JJ

1D

CS

SC

i

SC

iDSCG

N

VqnnqWJ

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Nバッファ層にリーチスルーする前）

BaseNTBufferNTTPNP -,-,

NBPNB

NBPNB

LW

CE

LW

CE

NP

NBPBufferNT e

J

eJ

yJ

WJ,

,

)(

)(-,

D

CSDN

qN

VW

2 NPDNN

BaseNTLWW ,

-,cosh

1

1M )( NBP WJ ：NバッファとNドリフト界面での正孔電流密度

)( NP yJ ：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N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

JL は VC に対し一定

JL は VC とともに上昇

非対称型構造の順方向リーク電流（２）

17

1E-06

1E-05

1E-04

0 200 400 600 800 1000

Leak

ege

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)


313 cm 105 DN

μm 100NW

K 300T

μs 1SC

μm 10NBW

SCGJ

この VC でリーチスルー


（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

VC=386V 1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

0 200 400 600 800 1000

Leak

ege

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)


K) 300( TJ SCG

K) 450( TJ L

K) 400( TJ L

K) 300( TJ L

K) 350( TJ L


（温度パラメータ）（NDB 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 101( 317 DBL NJ

)cm 101( 316 DBL NJ

316 cm 101 DBN

オン状態の特性

18

エミッタ

コレクタ

P+領域


P+ N+

ゲート

P

PiN ダイオード

MOSFET

PiN ダイオード

MOSFET

IC

IE

エミッタ

コレクタ

SATI

THG VV ≫

FVCV

FI

CI

THG VV

MOSFET飽和領域

MOSFET線形領域

THG VV

p

IC

IE

A

A

ゲート

PiNダイオード＋MOSFET モデル

IGBTのPiN領域のキャリア分布と電圧降下

19

N-

n=p

P+

J1

y

a

a

a

a

a

CHL

Ld

Ly

Ld

Ly

qL

Jypyn

cosh2

sinh

sinh

cosh

2)()(

酸化膜

ゲートコレクタ

-d d

2d

0

NW

n

p

Log

蓄積層

DNopn

キャリア分布（懸垂線）

キャリア分布

PiN部分の電圧降下

kTqV

a

aa

a

MeLd

LdLd

L

dF

2

4tanh25.01

tanh

aia

CPiNF

LdFnqD

dJ

q

kTV

2ln

2,

Da: 両極性拡散係数

HLaa DL

τHL: 高レベル・ライフタイム

La: 両極性拡散長

aPiNF LdV at :, 最小

pnDDDDD pnpna at 2

対称型IGBTのオン特性（MOSFET線形領域）

20

kTqV

a

iaC

PiNFeL

dF

d

nqDJ

2,2

a

aaa

a

aM

LdB

LdBBLdLdB

LdB

Ld

b

b

qkT

V2

222

222tanh1

tanh1lnsinhtanh1arctan

tanh1

sinh

1

8

p

nb

pn

pnB

THGOXni

CCH

THGOXni

CHCMOSFETF

VVC

JpL

VVCZ

LIV

, pZJI CC

THGOXni

CCH

aia

CMOSFETFPiNFIGBTF

VVC

JpL

LdFnqD

dJ

q

kTVVV

2ln

2,,,

コレクタ電流密度

コレクタ電圧

2for 2

2

aa

ML

d

L

d

q

kTV

2for

8

3

a

Ld

ML

de

q

kTV a

対称型IGBTのオン特性（MOSFET線型モデル）

21

0.01

0.1

1

10

100

1000

0 1 2 3 4 5Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2

)


0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)


nm 50OXtμs 10HL -1-12 sVcm 200ni

μm 15p

V 15GV

KneeV

V 10

V 8

V 6

μm 200NW

V 15GV

V 10 V 8V 6

MOSFET 1200V耐圧 (0.3Ωcm2)

消費電力密度 100W/cm2

μm 5.1CHL

Vknee: 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

, A/cm 100 10V,at V 28.1 CGIGBTF JVV

(MOSFET 1200V耐圧⇒VDS=30V at IDS=100A/cm2)

V 22.1 ,A/cm82 ,

2 IGBTFC VJ2 W/cm100:)( 10V,at DG PV 消費電力密度

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

(MOSFET 1200V耐圧⇒IDS=18A/cm2, VDS=5.41V, at PD=100W/cm2)

対称型IGBTのオン特性（MOSFETピンチオフモデル）

22

0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)


2,

211

THGOXni

CCHTHGMOSFETF

VVC

JpLVVV

V 15GV

KneeV

V 10

V 8

V 6

ブロッキング電圧: 1200V, VTH=5V

2

,,2

1MOSFETFMOSFETFTHG

CH

OXniCC VVVV

L

ZCpZJI


μm 15pμm 200NW μm 5.1CHL

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⇒MOSFET飽和特性（ゲート電圧低の場合）

ピンチオフモデルを含むMOSFET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）

対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（１）

23

022

2

aL

p

dy

pd 0)0( pp

0)( NWp

aN

aN

LW

LyWpyp

sinh

sinh)( 0

PNP領域のキャリア分布（PiNモデルと境界条件異なる）

境界条件ディープP+ とN-ベース接合（J2）位置（y=WN）：逆接合（オン状態）

P+ コレクタとN-ベース接合（J1）位置（y=0）

CONEp

y

p JJdy

dpqD ,

0

)0(2

γE,ON: P+ コレクタとN-ベース接合の注入効率（オン状態）

PNP領域のキャリア分布（PiNモデルと境界条件異なる）

J1 における正孔電流

少数キャリア（N-ベース領域：正孔）の連続の式

HLaa DL ：両極性拡散長

低レベル注入⇒ γE,ON ≒1

高レベル注入⇒ γE,ON <1

対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（２）

24

N-ベース P+

J1

コレクタ

pn 0p

0nNn0

Np0

キャリア密度

(Log)

AENp

nJ

pJCJ

0

y

y

電流密度

Ny Py

Pn0

高レベル注入時のキャリアと電流密度分布（at J1）

kT

N

P

P

N eyn

yn

yp

yp )(

)(

)(

)(

J1 における境界条件（順方向バイアス）

Δψ：J1 を横切る電位障壁

NAE: P+ 領域アクセプタ濃度

AEEPNN Npyppypyn 00 )( ,)()(AE

PN

pnyn

2

00)(

P+ 内での少数キャリア（電子）の拡散電流（低レベル注入）

AEnE

nE

nE

nEPn

NL

pqD

L

nqDyJ

2

00)( )()( NnPn yJyJ

∵電子電流は空乏層内で連続

J1 における注入効率 γE,ON

C

Nn

C

Np

ONEJ

yJ

J

yJ )(1

)(,

対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（３）

25

CONE

y

nnn Jdy

dnqDEnqJ ,

0

1)0()0()0(

0

)0()0()0(

y

pppdy

dpqDEnqJ

000

,1)0(

yn

CONE

dy

dp

qp

kT

pq

JE

0)0()0( ppn

P+ コレクタとN-ベース接合のN-ベース領域における（y=0）電子電流

P+ コレクタとN-ベース接合のN-ベース領域における（y=0）正孔電流

CONEp JJ ,)0(

0

, 21)0(

y

pCONE

n

p

pdy

dpqDJJ

ONE

p

nONE

p

C

n

p

yqD

J

dy

dp,,

0

12

aNayLWL

p

dy

dp

tanh

0

0

11

2

tanh,0

p

nONE

n

p

p

aNaC

qD

LWLJp

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

0 50 100 150 200Ho

le C

arri

er C

on

cen

trat

ion

(cm

-3)

Distance (μm)

26

対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（４）

p

nc

00

2

0 cbpap

p

n

CAEnE

nE

JNL

qDa

1

p

n

aNaC

p

LWLJ

qDb

tanh

2

a

acbbp

2

42

0

μm 200NW

P+コレクタとN-ベース接合のN-ベース領域における（y=0）正孔密度 p0 の導出

2A/cm 100CJ

μs 20HL

μs 2HL

μs 200HL

μs 2.0HL

対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布（PNP領域）

DN

0p

318 cm101 AEN

J1 J2

対称型IGBTのオン状態の電圧降下（１）

27

MOSFETNBNPON VVVV

2

0

0

0 lnlni

D

N

NPn

Np

q

kT

p

p

q

kTV

IGBTのオン電圧

VNB: N-ベースの電圧降下

VMOSFET: MOSFET領域の電圧降下

VP+N: P+ コレクタとN-ベース接合（J1）の電圧降下

aON

aN

pn

pn

aON

aN

pn

aNCaNB

LW

LW

q

kT

LW

LW

qp

LWJLV

sinh

sinhln

2tanh

2tanhln

sinh

0

CHACCJFETMOSFET VVVV

2

0 iDN nNp

CellW

GW

ONW

ALCHL

ゲート

エミッタ

N+

N-ベース

P+ 領域（コレクタ）

JPxP+

NW

P N+

P+ P JFET

0W

J1

J2

y

0y

対称型IGBTのオン状態の電圧降下（２）

28

aON

aN

pn

pn

aON

aN

pn

aNCaNB

LW

LW

q

kT

LW

LW

qp

LWJLV

sinh

sinhln

2tanh

2tanhln

sinh

0

dy

dn

q

kTyEynqyJ nn )()()(

dy

dp

ypq

kT

yqp

JyE

pn

pn

pn

C

)(

1

)()(

)()( ypyn

dy

dp

q

kTyEypqyJ pp )()()(

Cpn JyJyJ )()(

aNapn

pn

aNpn

aNC

LyWLq

kT

LyWqp

LWJyE

tanh

1

sinh

sinh)(

0

aN

aN

LW

LyWpyp

sinh

sinh)( 0

N-ベースの電圧降下導出

電子電流密度正孔電流密度

N-ベース領域の電界

N-ベースの電圧降下（電界を 0～ (WN－ WON) まで積分: y=0 at J1）

対称型IGBTのオン状態の電圧降下（３）

29

THGOXnA

CellJPGACSPACACC

VVC

WxWKJRJV

4

2,

2,

THGOXni

CellCHCSPCHCCH

VVC

WLJRJV

22 0

0,

WxW

WWxJRJV

JPG

CellJPJFETCSPJFETCJFET


VJFET: JFETの電圧降下

VACC: 蓄積領域の電圧降下

VCH: MOSFETチャネル領域の電圧降下

JFETDPAJFETD

biPAS

NNqN

VNW

,,,

,

0

2

2

,,ln

i

JFETDPA

bin

NN

q

kTV

MOSFET領域の電圧降下

NA,P+ : ディープP+ 領域のドーピング濃度

ND,JFET : JFET 領域のドーピング濃度

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.1 1 10 100 1000

On

-sta

te V

olt

age

Dro

p (

V)

High Level Lifetime τHL （μs）

対称型IGBTのオン状態の電圧降下（４）

30

μm 200NW

2A/cm 100CJ

315

, cm105 JFETDN

313cm105 DN

nm 50OXt

6.0AK

-1-12 sVcm 450ni

μm 30CellW

μm 16GW

μm 5.1CHL

-1-12 sVcm 1000nA

V 15GV

V 5THV対称型IGBTのオン状態の電圧降下と高レベル・ライフタイムの関係

ONV

NPV

NBV

MOSFETV μm 5JPx

cm 96.0 JFET

τHL > 20 μs: VP+N, VMOSFET > VNB

τHL < 4 μs: VP+N, VMOSFET < VNB

τHL < 2 μs: VNB 急に増大 ⇒ スイッチング・スピード限定

ブロッキング電圧: 1200V

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

0 20 40 60 80 100Ho

le C

arri

er C

on

cen

trat

ion

(cm

-3)

Distance (μm)

非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（１）

31

aNBN

aNBN

LWW

LyWWpyp

sinh

sinh)( 0

μs 20HLμs 2HL

μs 200HL

μs 2.0HL

非対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布（PNP領域）

DN

0p

J1 J2

μm 100NW

2A/cm 100CJ 319 cm101 AEN

μm 10NBW

N-バッファ層のドーピング濃度が低い場合（< 5×1016 cm-3） ⇒N-ベースとN-バッファ層内では高レベル注入

N-ベースとN-バッファ層内の正孔密度分布（n=p） N-バッファ層

（N-バッファ層のドーピング濃度が低い場合（< 5×1016 cm-3））

非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（２）

32

C

NBpPPnPnNBNBp

PnNBNBp

Np JLnDLpD

LpDyJ

,,0,,,0,

,,0,)(

NBC

NBpPPnPnNBNBp

NBpPnNB

N pJLnDLpDq

LLpyp ,0

,,0,,,0,

,,,0)(

PC

NBpPPnPnNBNBp

NBpPnP

P nJLnDLpDq

LLnyn ,0

,,0,,,0,

,,,0)(

N-ベース P+

J1

コレクタ

pn )( NBWp )( Nyp

Nn0

Np0

キャリア密度

(Log)

AENp

nJ

pJCJ

y

y

電流密度

Ny Py

)( Pyn

オン状態のキャリアと電流密度分布（at J1）

N-バッファ

NBn ,0

NBp ,0

)( NBWp

N-バッファ層のドーピング濃度が高い場合（> 1×1017 cm-3）

N-バッファ層：低レベル注入

N-ベース領域：高レベル注入

yN における正孔電流密度

yN における少数キャリア（正孔）密度

yP における少数キャリア（電子）密度

0

Pn ,0

非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（３）

33

aN

aNBNNB

LW

LyWWWpyp

sinh

sinh)()(

)()( NBpNBp WJWJ

aNa

NBp

Wy

pNBpLWL

WpqD

dy

dpqDWJ

NB

tanh

)(22)(

)(

2

tanh)( NBp

p

aNaNB WJ

qD

LWLWp

NBpNB LW

C

NBpPPnPnNBNBp

PnNBNBp

NBp eJLnDLpD

LpDWJ ,

,,0,,,0,

,,0,)(

NBpNB LW

C

NBpPPnPnNBNBp

NBpPnNB

NB eJLnDLpDq

LLpWp ,

,,0,,,0,

,,,0)(

N-バッファ層とN-ベース領域界面のN-バッファ層側の正孔密度と正孔電流密度：低レベル注入

N-バッファ層とN-ベース領域界面のN-ベース領域側の正孔密度と正孔電流密度：高レベル注入

（p0,NB 無視）

NBp

NBNBp

Wy

NBpNBpL

WpqD

dy

dpqDWJ

NB,

,,

)()(

NNBNB WWyW

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

0 20 40 60 80 100

Ho

le C

arri

er D

ensi

ty (

cm-3

)

Distance (μm)

非対称型IGBTのオン状態のキャリア分布（PNP領域）（４）

34

μm 100NW 2A/cm 100CJ319 cm101 AEN

μm 10NBW

DN

J1 J2

N-バッファ層

非対称型IGBTのN-ベース領域内の正孔密度分布（PNP領域）

317 cm 101 NBN

NBN1

NBN2

NBN5.0

NBN10

313cm105 DN

N-ベース領域 τHL=2 μs N-バッファ領域 τHL：NNB でスケール

（N-ベース領域のドーピング濃度 NNB 依存）

N-バッファ層の正孔密度＜NNB ⇒ N-バッファ層内：低レベル注入

N-ベース領域の正孔密度＞ ND (NNB < 2×1017 cm-3)

⇒ N-ベース領域内：高レベル注入

N-ベース領域の正孔密度＜ ND (NNB = 1×1018 cm-3)

⇒ N-ベース領域内：伝導度変調無し

N-バッファ層のドーピング濃度上昇 ⇒ N-ベース内の正孔密度低下

（コレクタからN-バッファ層への正孔の注入効率低下）

N-ベース内のライフタイム低減と同様の効果（スイッチング・スピード上昇するが導通損失増大）

非対称型IGBTのオン状態の電圧降下（１）

35

MOSFETNBNPON VVVV

2

0

,0

0 lnlni

NB

NB

NPn

Np

q

kT

p

p

q

kTV

VNB: N-ベースの電圧降下

VMOSFET: MOSFET領域の電圧降下

VP+N: P+ コレクタとN-ベース接合（J1）の電圧降下

aON

aN

pn

pn

aON

aN

pnNB

aNCaNB

LW

LW

q

kT

LW

LW

Wqp

LWJLV

sinh

sinhln

2tanh

2tanhln

)(

sinh


2

,0 iNBNB nNp

316 cm 105 NBN

2

,0

)(ln

)(ln

i

NBN

NB

NNP

n

Nyp

q

kT

p

yp

q

kTV

316 cm 105 NBN

aON

aNBN

pn

pn

aON

aNBN

pn

aNBNCaNB

LW

LWW

q

kT

LW

LWW

qp

LWWJLV

sinh

sinhln

2tanh

2tanhln

sinh

0

（N-バッファ層の電圧降下無視）

オン状態の電圧降下

の場合（N-ベース領域 & N-バッファ層：高レベル注入）

の場合（（N-ベース領域:高レベル注入, N-バッファ層：低レベル注入）

0

1

2

3

4

0.1 1 10 100 1000

On

-sta

te V

olt

age

Dro

p (

V)

High Level Lifetime τHL （μs）

非対称型IGBTのオン状態の電圧降下（２）

36

316 cm 101 NBN

低ドーピングN-バッファ層の場合（N-ベース領域 & N-バッファ層：高レベル注入）

μm 100NW

2A/cm 100CJ

315

, cm105 JFETDN

313cm105 DN

nm 50OXt

6.0AK

-1-12 sVcm 450ni

μm 30CellW

μm 16GW

μm 5.1CHL

-1-12 sVcm 1000nA

V 15GV

V 5THV

μm 5JPx

cm 96.0 JFET

ONV

NPV NBV

MOSFETV


非対称型IGBTのオン状態の電圧降下と高レベル・ライフタイムの関係

τHL > 1 μs: VP+N, VMOSFET > VNB

τHL < 0.4 μs: VP+N, VMOSFET < VNB

τHL < 0.3μs: VNB 急に増大 ⇒ スイッチング・スピードは増大するが、導通損失も増大する

・最大スイッチング・スピード：非対称型IGBT＞対称型IGBT ・オン状態の電圧降下：非対称型IGBT＜対称型IGBT

μm 10NBW

同じブロッキング電圧で比較

0

2

4

6

8

10

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

On

-Sta

te V

olt

age

Dro

p (

V)

N-Buffer Layer Doping Concentration (cm-3)

非対称型IGBTのオン状態の電圧降下（３）

37

μm 100NW

2A/cm 100CJ

315

, cm105 JFETDN

313cm105 DN

nm 50OXt

6.0AK

-1-12 sVcm 450ni

μm 30CellW

μm 16GW

μm 5.1CHL

-1-12 sVcm 1000nA

V 15GV

V 5THV

μm 5JPx

cm 96.0 JFET

N-ベース領域 τHL=2 μs

N-バッファ領域 τHL：NNB でスケール

ONV

NPV

NBV

MOSFETV


非対称型IGBTのオン状態の電圧降下と N-バッファ層ドーピング密度 NNB の関係

N-バッファ層へ高レベル注入

N-バッファ層へ低レベル注入

NNB < 3×1016cm-3: VP+N, VMOSFET > VNB

NNB > 8×1016cm-3 : VP+N, VMOSFET < VNB

NNB > 2×1017cm-3 : VNB 急に増大 ⇒ スイッチング・スピードは増大するが、導通損失も増大する

μm 10NBW

電流飽和特性（PNPトランジスタ＋MOSFET モデル）（１）

38

エミッタ

コレクタ

P+領域


P+ N+

ゲート

P

PNP トランジスタ

MOSFET

MOSFET

IC

IE エミッタ

コレクタ

IC

IE

ゲート

2CellW

In

Ip

In

Ip

npE III

n

PNP

PNPp II

1

PNP

nCE

III

1

1 ,, MM PNPTEPNPTEPNP

a

PNPTLlcosh

1,

D

CSNDNN

qN

VWWWl

2

エミッタ電流 IE

In: PNP のベース電流

PNPの電流利得（ベース接地） αPNP

αT,PNP :ベース輸送ファクタ―

l :空乏領域でないN-ベース領域

La :両極性拡散長 PNPトランジスタ＋MOSFET モデル

電流飽和特性（PNPトランジスタ＋MOSFET モデル）（２）

39

2,

111

THGOXni

PNPCCHCellTHGMOSFETF

VVC

JLWVVV

22

THG

CH

OXnin VV

L

ZCI

MOSFETの飽和電流（ピンチオフモデル）

飽和領域のトランスコンダクタンス

2,,

12THG

PNPCH

OXniSATCSATE VV

L

ZCII

IGBTの飽和電流

THG

PNPCH

OXni

G

SATC

SATm VVL

ZC

dV

dIg

1

,

,

aia

CPiNF

LdFnqD

dJ

q

kTV

2ln

2,

PNPCCell

n ZJW

I 12

CMOSFETFPiNFIGBTF VVVV ,,,

IGBTに掛かる電圧

JC-VC 特性⇒繰り返し計算必要（αT,PNP に VC 依存性があるため）

電流飽和特性（PNPトランジスタ＋MOSFET モデル）（３）

40

0.00E+00

2.00E+02

4.00E+02

6.00E+02

8.00E+02

1.00E+03

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)


V 10GV

V 9

V 8

V 6

ブロッキング電圧: 1200V, VTH=5V


μm 152 CellWpμm 200NW μm 5.1CHL

コレクタ電流密度のコレクタ電圧依存性

V 7

コレクタ電流：（PNPトランジスタ＋MOSFET モデル）＞（PiNダイオード＋MOSFET モデル）

∵ PNPトランジスタの利得を考慮

25.0, PNPTPNP

V 100for 29.024.0, ～～ CPNPT V

対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（１）

41

N-ベース P+

J1

コレクタ

SCp

0pキャリア密度

AENp

y

電界

)( Pyn

mE

Pn ,0

(Log)

NW

DN

J2

空間電荷領域

伝導度変調領域

CIEI

SCW

SCn

エミッタ

0

2

,,

,

THG

CHCellnsat

OXni

nsat

PNPn

SC VVLWqv

C

qv

Jn

psat

CSC

qv

Jp

,

2,,

2THG

CHCell

OXni

Cell

DSATPNPnPNPB VV

LW

C

ZW

IJJ

∵ PNP ベース電流（飽和電流）

空間電荷領域内の電子と正孔密度

02

2

dy

pd

yWW

pppyp

SCN

SC

0

0)(

（定常状態、高レベル注入（n=p）、再結合がない場合）

N-ベース領域内の正孔密度

N-ベース領域内の正孔の連続の式

順方向ブロッキングの場合の電界

SCSC np WSC （飽和電流印加時） < WSC （順方向ブロッキング時）同じ VC 印加時

P+

y

0)0( pp

SCSCN pWWp )(

境界条件

ディープP+ とN-ベース接合（J2）のベース領域内の空乏層端


対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（２）

42

dy

dn

q

kTyEynqyJ nn )()()(

dy

dp

ypq

kT

yqp

JyE

pn

pn

pn

C

)(

1

)()(

dy

dp

q

kTyEypqyJ pp )()()(

)()( ,)()( ypynJyJyJ Cpn

N-ベース領域の電子電流密度 N-ベース領域の正孔電流密度


SCN

SC

pn

pn

pn

NC

WW

pp

qp

kT

qp

WJE

0

00

)0(

0

2)0()( p

WW

kTJJyJ

SCNpn

pn

pn

Cp

pNp

AEnE

nECPp

N

p

L

qDJyJ

2

0)(

yN（y=0）と yP における正孔電流密度

対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（３）

43

C

pn

n Jc

00

2

0 cbpap

AEnE

nE

NL

qDa

SCNnp

pn

WW

kTb

2

a

acbbp

2

42

0

P+ コレクタ（薄型エミッタ）とN-ベース接合のN-ベース領域における（y=0）正孔密度 p0 の導出

)()( PpNp yJyJ

p0 導出 ⇒ 繰り返し計算必要（JC に αT,PNP(VC) 依存性があるため）

p0 導出の簡易方法

仮定：（１）コレクタ電流はコレクタ電圧で大きく変わらない（電流飽和領域）（２）ベース輸送ファクター αT,PNP=1（N-ベース領域内で再結合無視）（３）キャリア増倍係数 M=1

⇒ 低コレクタ電圧で正孔密度 p0 を求めることができる

対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（４）

44

SCSCD

CSSC

npNq

VW

2

AEnE

nE

nE

nEPnNn

NL

pqD

L

nqDyJyJ

2

00)()(

J1 における注入効率（電流飽和領域） γE,S

2

0

000

, 1)(

1)(

pNLJ

qD

J

yJ

J

yJ

AEnEC

nE

C

Nn

C

Np

SE

JC0: 低コレクタ電圧でのコレクタ飽和電流

SE

PNPB

PNP

PNPB

C

JJJ

,

,,

011

nE

AEnEPNPB

qD

NLJp

,

0

2

000

2p

NL

qDp

W

kTJ

AEnE

nE

n

pn

p

N

C

psat

CSC

qv

Jp

,

0

（WSC 無視）

pSC と WSC

p0 導出

p0 の簡易導出

対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（５）

45

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

0 50 100 150 200Ho

le C

arri

er C

on

cen

trat

ion

(cm

-3)

Distance (μm)

μm 200NW

2

, A/cm 153PNPBJ

313cm105 DN

nm 50OXt-1-12 sVcm 450ni

μm 30CellW

μm 5.1CHL

V)(CV

V 5THV

318 cm101 AEN

317

0 cm109.1 p

2

0 A/cm 252CJ

314 cm106.1 SCp

39.0, SE

313cm105.9 SCn

V 5.6GV

800

100600

400

200

対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布

（コレクタ電圧：パラメータ）

DN

J1 J2

対称型IGBTの出力特性（１）

46

nSCC BVVM

1

12

0

000

, 1)()0(

pNLJ

qD

J

yJ

J

J

AEnEC

nE

C

Np

C

p

SE

M

VJVJVVJ

PNPTSE

GPNPB

PNP

GPNPB

CGC

,,

,,

1

)(

1

)(),(

43131024.5

SCSCDSC npNBV 5n

コレクタ電流密度の VG, VC 依存性

)0(

)(,

p

SCNp

PNPTJ

WWJ

γE,S: VG 依存性 αT,PNP , M : VC 依存性

022

2

aL

p

dy

pd

aaSCN

aSCNSC

a L

y

LWW

LWWpp

L

ypyp sinh

sinh

coshcosh)( 0

0

（定常状態、高レベル注入（n=p））

0)0( pp

SCSCN pWWp )(境界条件




N-ベース領域内の正孔の連続の式 HLaa DL

SCSCD

CSSC

npNq

VW

2

BVSC: 平型 P+-N接合アバランシェ・ブレークダウン電圧

対称型IGBTの出力特性（２）

47

dy

dn

q

kTyEynqyJ nn )()()(

dy

dp

ypq

kT

yqp

JyE

pn

pn

pn

C

)(

1

)()(

dy

dp

q

kTyEypqyJ pp )()()(




dy

dpqD

JyJ

pn

np

pn

Cp

p

2)(

yにおける正孔電流密度（E(y)をJp(y)に代入）

C

aSCN

S

pn

n

pn

p

SCNp JLWW

KWWJ

cosh)(

n

p

SE

n

pn

SK

,

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 200 400 600 800 1000

Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)


対称型IGBTの出力特性（３）

48

対称型IGBTの出力特性

μm 200NW313cm105 DN


μm 30CellW

μm 5.1CHL

V 5THV

318 cm101 AEN

V 5.7GV

V 5.6GV

V 0.7GV

V 0.6GV

V 1913 ,cm 1049.7 V, 0.6 313

SCSCG BVpV

V 1522 ,cm 1057.1 V, 5.6 314

SCSCG BVpV

V 1222 ,cm 1070.2 V, 0.7 314

SCSCG BVpV

V 996 ,cm 1012.4 V, 5.7 314

SCSCG BVpV

)V 5.70.6( 36.043.0, ～～ GSE V

98.087.0, ～PNPT

対称型IGBTの出力抵抗（１）

49

nSCC BVVM

1

1

M

VJVJVVJ

PNPTSE

GPNPB

PNP

GPNPB

CGC

,,

,,

1

)(

1

)(),(

γE,S: VG 依存性 αT,PNP , M : VC 依存性

低いコレクタ電圧 ⇒ コレクタ電流は αT,PNP(VC)に依存（∵M≒1）

高いコレクタ電圧 ⇒ コレクタ電流は M(VC)に依存（∵ αT,PNP(VC) ≒1）

n

C

n

SCPNPTSE

n

C

n

SCGPNPB

CGCVBV

VBVVJVVJ

,,

,

1

)(),(

CPNPT

n

C

n

SC

n

CPNPT

n

SCPNPBSE

n

C

n

SCSE

C

CSPO

dVdVBVVnBVJ

VBV

dV

dJR

,

1

,,,

2

,

1

,

1

CSCSCD

S

aSCN

aSCNS

pn

n

aSEC

PNPT

VnpNqLWW

LWWK

LdV

d

2cosh

tanh1

,

,

特性出力抵抗


1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

0 200 400 600 800 1000Spec

ific

Ou

tpu

t R

esis

tan

ce (

Ωcm

2)


対称型IGBTの出力抵抗（２）

50

5.7

5.6

0.7

0.6

V) (GV μm 200NW313cm105 DN


μm 30CellW

μm 5.1CHL

V 5THV

318 cm101 AEN

)V 5.70.6( 36.043.0, ～～ GSE V

98.087.0, ～PNPT

低コレクタ電圧：αT,PNP に依存して増大

高コレクタ電圧：M に依存して減少

対称型IGBTの特性出力抵抗特性出力抵抗

非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（１）

51

2

,,

,

THG

CHCellnsat

OXni

nsat

PNPn

SC VVLWqv

C

qv

Jn

psat

CSC

qv

Jp

,

2,,

2THG

CHCell

OXni

Cell

DSATPNPnPNPB VV

LW

C

ZW

IJJ

∵ PNP ベース電流（飽和電流）

空間電荷領域内の電子と正孔密度

022

2

aL

p

dy

pd

（定常状態、高レベル注入（n=p））

WNBNB pWp )(

SCSCN pWWp )(

境界条件


N-ベースとN-バッファ接合界面のN-ベース側

N-ベース領域内の正孔の連続の式

HLaa DL

N-ベース

P+

J1

コレクタ

SCp

0p キャリア密度

AENp

y

電界

)( Pyn

mE

Pn ,0

(Log)

NW

DN

J2

空間電荷領域


CIEI

SCW

SCn

エミッタ

0

順方向ブロッキングの場合の電界

N-バッファ

NBDN ,

P+

NBW

y

WNBp

WNBp

非対称IGBTの電界とキャリア分布（パンチスルー前）

非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（２）

52

aaSCN

aSCNWNBSC

a

WNBL

y

LWW

LWWpp

L

ypyp sinh

sinh

coshcosh)(


SCSCD

CSSC

npNq

VW

2

dy

dn

q

kTyEynqyJ nn )()()(

dy

dp

ypq

kT

yqp

JyE

pn

pn

pn

C

)(

1

)()(

dy

dp

q

kTyEypqyJ pp )()()(




dy

dpqD

JyJ

pn

np

pn

Cp

p

2)(

yにおける正孔電流密度（E(y)をJp(y)に代入）

0 yWNB

非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（３）

53

)()( NBpNBp WJWJ

NBpNB LW

CSENBp eJWJ ,

,)(

NBpPPnPnNBNBp

PnNBNBp

SELnDLpD

LpD

,,0,,,0,

,,0,

,

aSCN

p

aCASWNB LWW

qD

LJKp tanh

2

n

pLW

SE

n

pn

ASNBpNBeK

,

,

aSCN

aSCNWNBSC

pn

n

a

p

pn

Cp

NBpLWW

LWWpp

L

qDJWJ

sinh

cosh2)(

（pSC 無視）

N-ベースとN-バッファ接合界面のN-ベース側の正孔密度

∵ N-バッファ領域：低レベル注入

パンチスルー前：コレクタ電圧 VC 増大 ⇒ 空間電荷領域 WSC 増大 ⇒ pWNB+ 減少

低コレクタ電圧でのコレクタ飽和電流一定: JC → JC0 (at WSC=0) → pWNB+ を求めることが可能

NBpNB LW

SEAS eK ,

,

dy

dpqDWJ pNBp 2)(

非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（４）

54

NBpPPnPnNBNBp

NBpPnCNB

LnDLpDq

LLJpp

,,0,,,0,

,,0,0

0

JC0 (at WSC=0)の導出（低コレクタ電圧）

N-バッファ領域内の正孔密度（N-バッファ領域：低レベル注入）

NBpLyepyp ,

0)(

（P+ コレクタとN-バッファ界面→ y=0）

0,

,

01 PNP

PNPB

C

JJ

0,,,,0,,0, BaseNTBufferNTSETSEPNP

NBpNB

NBpNB

LW

CE

LW

CE

Np

NBp

BufferNT eJ

eJ

yJ

WJ,

,

)(

)(,

)(

)(0,,

NBp

Np

BaseNTWJ

WJ

CAS

pn

n

pn

p

NBp JKWJ

)(

C

aN

AS

pn

n

pn

p

Np JLW

KWJ

cosh)(

非対称型IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布（５）

55

非対称IGBTの電界とキャリア分布（パンチスルー後）

N-ベース

P+

J1

コレクタ

SCp


AENp

y

電界

)( Pyn

mE

Pn ,0

(Log)

NW

DN

J2

空間電荷領域

CIEI

SCW

SCn

エミッタ

0

N-バッファ

NBDN ,

P+

NBW

y

WNBp

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

0 20 40 60 80 100

Ho

le C

arri

er D

ensi

ty (

cm-3

)

Distance (μm)

μm 100NW

319 cm101 AEN

μm 10NBW

313cm105 DN317 cm101 NBN

非対称IGBTの電流飽和領域におけるキャリア分布

100

(V) CV

400200

800

600

N-バッファ層 J1 J2

μm 30CellW μm 5.1CHL

V 5THV

78.0, SE 16.0, bufferNT

（N- ベース領域） μs 2HL

DN

SCp

V 5.6GV

85.00,, BaseNT

2

, A/cm 153PNPBJ

11.00, PNP

2

0 A/cm 171CJ314 cm 101.1 SCp 313 cm 105.9 SCn 316

0 cm 106.7 p

非対称型IGBTの出力特性（１）

56

nSCNPT BVVM

1

1

M

VJVJVVJ

PNPTSE

GPNPB

PNP

GPNPB

CGC

,,

,,

1

)(

1

)(),(

43131024.5

SCSCDSC npNBV 5n

コレクタ電流密度の VG, VC 依存性

)(

)(,

NBp

SCNp

BaseNTWJ

WWJ

αT,N-base: VC 依存性（パンチスルー前） 1（パンチスルー後）

BVSC: 平型 P+-N接合アバランシェ・ブレークダウン電圧

2

22

S

NSCSCD

N

C

D

SNPT

WnpNq

W

V

qNV

C

aSCN

AS

pn

n

pn

p

SCNp JLWW

KWWJ

cosh)(

γE,S: 電圧依存性なし

BaseNTBufferNTPNPT ,,,

αT,N-Buffer: 電圧依存性なし

M : VC 依存性あり ≒1（パンチスルー前)

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)


非対称型IGBTの出力特性（２）

57

非対称型IGBTの出力特性

V 5.7GV

V 5.6GV

V 0.7GV

V 0.6GV

V 0.8GV

μm 100NW

319 cm101 AEN

μm 10NBW

313cm105 DN

317 cm101 NBN


V 5THV （N- ベース領域） μs 2HL

V 425 V, 2593 ,cm 1074.4 V, 0.6 313

PTSCSCG VBVpV

V 474 V, 2391 ,cm 1007.1 V, 5.6 314

PTSCSCG VBVpV

V 630 V, 1931 ,cm 1097.2 V, 5.7 314

PTSCSCG VBVpV

V 425 V, 2161 ,cm 1090.1 V, 0.7 314

PTSCSCG VBVpV

V 737 V, 1716 ,cm 1028.4 V, 0.8 314

PTSCSCG VBVpV

VG の上昇と伴にパンチスルー電圧 VPH の上昇は、空間電荷領域内の正孔密度 pSC の上昇による。 ⇒コレクタ電圧の上昇に対し飽和コレクタ電流は緩やかに上昇する。

非対称型IGBTの出力抵抗（１）

58

M

VJVJVVJ

PNPTSE

GPNPB

PNP

GPNPB

CGC

,,

,,

1

)(

1

)(),(

パンチスルー前⇒ コレクタ電流は αT,N-Base(VC)に依存（∵M≒1）

パンチスルー後⇒ コレクタ電流は M(VC)に依存（∵ αT,PNP(VC)=1）


BaseNTBufferNTPNPT ,,,

γE,S: 電圧依存性なし

αT,N-Buffer: 電圧依存性なし

CBaseNTPNPBBufferNTSE

BaseNTBufferNTSE

C

CSPO

dVdJdV

dJR

,,,,

2

,,,

1

,

1

パンチスルー前の特性出力抵抗 RO,SP

CSCSCD

S

aSCN

aSCN

pn

ASn

NBpa

C

C

BaseNT

VnpNqLWW

LWWK

WJL

J

dV

d

2cosh

tanh0,

0,,

C

LW

SENBpNBp JeWJWJ NBPNB

非対称型IGBTの出力抵抗（２）

59

nSCNPT BVVM

1

1

n

NPT

n

SCBufferNTSE

n

NPT

n

SCGPNPB

CGCVBV

VBVVJVVJ

,,

,

1

)(),(

CNPT

n

NPT

n

SCPNPBBufferNTSE

n

NPT

n

SCBufferNTSE

C

CSPO

dVdVVBVJn

VBV

dV

dJR

1

,,,

2

,,

1

,

1

S

NSCSCD

N

C

ND

S

C

NPT WnpNq

W

V

WqNdV

dV

2

パンチスルー後の特性出力抵抗

パンチスルー後の特性出力抵抗 RO,SP

非対称型IGBTの出力抵抗（３）

60

1E+01

1E+02

1E+03

1E+04

1E+05

0 200 400 600 800 1000Spec

ific

Ou

tpu

t R

esis

tan

ce (

Ωcm

2)


μm 100NW

319 cm101 AEN

μm 10NBW

313cm105 DN

317 cm101 NBN


V 5THV （N- ベース領域） μs 2HL5.75.6 0.7

V)(GV

0.8

非対称型IGBTの特性出力抵抗

0.6

低コレクタ電圧領域（パンチスルー前）でコレクタ電圧上昇 ⇒特性出力抵抗上昇（空間電荷領域拡大：αT,N-Base(VC)上昇）

高コレクタ電圧領域（パンチスルー後）でコレクタ電圧上昇 ⇒特性出力抵抗低下（キャリア増倍係数 M(VC) 増大）

スイッチング特性（ターンオン）（１）

61

ターンオン（フォワード・リカバリ）時（電流立上り期間が再結合ライフタイムより短い場合） ⇒IGBTのドリフト領域で伝導度変調の発生なし ⇒電圧波形にオーバーシュート発生

n

n n

y

J

qt

n

1

ターンオン時にドリフト領域へ注入される過剰多数キャリア密度 δn

t1 t4 t3 t2 t6 t5

DCVPTI

MIDCV

TONV ,

t

モータ制御回路の中のターンオン・オフ時のIGBTと整流器の電圧電流波形

y

nqDJ nn

tDy netAtyn4

)(),(

n

n

n

y

nD

t

n

2

2

2

2 ),(),(

y

tynD

t

tynn

∵仮定：ターンオンの期間再結合なし

DCV

MIMI

t

DONV , DONV ,

PRI

IGBT

整流器 P+ コレクタとN-ベース接合 J1 （ y=0）で高レベル注入の場合

0

2)0(

y

nny

nqDJJ

tD

tAqDJ

n

n4

)(2

スイッチング特性（ターンオン）（２）

62

atJ

nDq

attA

23

)(

a: 定数（Ramp rate）

tDy

n

neDq

attyn

423

),(

),(),()(

tyntyq

dydyydR

n

0.0E+00

2.0E+15

4.0E+15

6.0E+15

8.0E+15

1.0E+16

1.2E+16

1.4E+16

1.6E+16

1.8E+16

2.0E+16

0 10 20 30 40 50Elec

tro

n C

arri

er C

on

cen

trat

ion

(cm

-3)

Distance (μm)

J1

対称IGBTフォワード・リカバリの間の電子密度分布

04

ns)(t

02 01

電流 Ramp rate= 129 sAcm 102 313 cm 105 DN

N-ベース長（ドリフト長）=200 μm

D

tDy

n

D NeDq

atNtyntyn n

423

),(),(

電子密度分布（ターンオン時線形に電流が上昇）

y における抵抗

NN W

n

W

BaseNtyntyq

dydRR

00 ),(),(

⇒ 解析的に解けない

スイッチング特性（ターンオン）（３）

63

N-ベース P+

電子密度

y

),0( tn

DN Nn 0

MN

My 0

NM: 伝導度変調電子密度

)0( MM yyNn

・伝導度変調領域の抵抗無視

伝導度変調領域の定義

・伝導度変調領域以外の領域の抵抗考慮

DMn

nMNNDq

attDty

23

ln4)(

ターンオン時のN-ベース抵抗を解析的に解く簡易方法

ND で決まる抵抗考慮

抵抗無視

・N-ベース（ドリフト）領域の電圧降下

)()()( tJtRtv FBaseND

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40Co

nd

uct

ance

Mo

du

late

d D

ista

nce

y M

(μ

m)

Time (ns)

スイッチング特性（ターンオン）（４）

64

313 cm 105 DN

314 cm 101 MN

91059102

9101

)s(Acm rate Ramp 12 a

対称型IGBTターンオン（フォワード・リカバリ）時におけるドリフト領域の伝導度変調領域の成長

オン状態のコレクタ電流 = 100 A/cm2

Ramp rate 5×109 Acm-2s-1の場合 ⇒ t=20 nsで100 Acm-2に到達

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100

Forw

ard

Vo

ltag

e D

rop

(V

)

Time (ns)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 10 20 30 40

Spec

fic

Res

ista

nce

of

N-B

ase

Reg

ion

(Ω

cm2)

Time (ns)

スイッチング特性（ターンオン）（５）

65

対称型IGBTターンオン（フォワード・リカバリ）時におけるドリフト領域の特性抵抗の時間変化

対称型IGBTターンオン（フォワード・リカバリ）時におけるドリフト領域の順方向電圧降下の時間変化

9105

9102

9101

)s(Acm rate Ramp 12 a9105

9102

9101

)s(Acm rate Ramp 12 a



Ramp rateの上昇ともに電圧降下のピーク値も上昇

（この電圧降下のオーバーシュートは少数キャリアのライフタイムには関係しない）

スイッチング特性（ターンオフ：無負荷の場合）

66

t

)(tvG

0

0

0

t

t

GSV

)(tvC

)(tiC

ONCi ,

ONCi ,1.0

DCi ,

ONV

0

0

0

OFFt

無負荷（IGBTに直接電源接続）

MOSFETチャネル電流遮断

電流テイル

⇒コレクタ電流テイル時定数：非対称型IGBTの場合、N-バッファ層内の再結合ライフタイムに依存（蓄積電荷の消滅）

0,

,

1 PNP

PNPB

C

II

MOSFETのチャネル電流 IB,PNP

（IGBT内部のPNPトランジスタのベース駆動電流） ⇒ ターンオフ時すぐに遮断

コレクタ電流 IC

（IGBT内部のPNPトランジスタのエミッタ電流） ⇒コレクタ電流瞬時低下

αPNP,0=γEαT: 低コレクタ電圧時のベース接地電流利得

0,, 1 PNPCPNPB II

瞬時低下後の IC

スイッチング特性（ターンオフ：抵抗負荷の場合）（１）

67

t

)(tvG

0

0

0

t

t

GSV

)(tvC

)(tiC

ONCI ,

ONCI ,1.0PTCI ,

CSV

0

0

0

OFFt

抵抗負荷


電流テイル

PTt

ONV

空間電荷領域がN-バッファ層にパンチスルーするまでの領域

N-バッファ層内に残った蓄積電荷がその層内で再結合により消滅

非対称IGBTの抵抗負荷ターンオフ特性

線型変化領域線型変化領域

電流テイル領域（パンチスルー後）

スイッチング特性（ターンオフ：抵抗負荷の場合）（２）

68

N-ベース

P+

J1

コレクタ

ep


y

電界 mE

(線形)

NW

J2

空間電荷領域

CIEI

エミッタ

0

N-バッファ

P+

NBW

y

WNBp

SCW


t

t

非対称IGBTターンオフ時抵抗負荷の蓄積電荷と電界分布

仮定１: (1) N-ベース領域内の再結合を無視, (2) 空間電荷領域端で正孔密度≒0, (3) 空間電荷領域幅≒0

N

WNBW

ypyp 1)(

N-ベース領域内の正孔密度（オン状態）

仮定２:ターンオフ過程において、上記正孔密度分布は N-ベースの伝導度変調部分で変わらない。

空間電荷領域端の正孔密度（ターンオフ過程）

N

SCWNBe

W

tWptp

)()(

ターンオフ過程のコレクタ電流密度

dt

tdW

W

tWqp

dt

tdWtqptJ SC

N

SCWNB

SCeC

)()()()()(

（空間電荷領域拡張によって除去された電荷 ⇒ 電流に寄与）

スイッチング特性（ターンオフ：抵抗負荷の場合）（３）

69

)(

)(2)(

tpNq

tVtW

SCD

CSSC

psat

CSC

qv

tJtp

,

)()(

LCCSC RtJVtV )()(

ONC

CSL

J

VR

,

)(

)(2)(

,

,

tJvqN

RtJVvtW

CpsatD

LCCSpsatS

SC

LpsatSSC

SCpsatDCSpsatS

CRvW

WvqNVvtJ

,

2

2

,,

2

2)(

空間電荷領域幅

LpsatSSC

SCpsatDCSpsatSSC

N

SCWNB

RvW

WvqNVv

dt

tdW

W

tWqp

,

2

2

,,

2

2)()(

Rt

SC eKKtW

21)(

Rt

SC eKtW

1)( 1

2

,

,

DNpsat

LDpsatCSSWNB

RNWqv

RNqvVp

)(2

1 CSD

D

CSS VWqN

VK

空間電荷領域幅が満たす微分方程式

0)0( SCW

特性負荷抵抗

WSC(t) の増大の割合: 時間の増大とともに遅くなる。 ∵pe の増大と JC の低下

スイッチング特性（ターンオフ：抵抗負荷の場合）（４）

70

コレクタ電流密度の時間変化（空間電荷領域がN-バッファ層にパンチスルーするまで有効）

LpsatD

t

CS

t

CSpsatD

C

RvqNeV

eVvqNtJ

R

R

,

2

2

,

1

11)(

NCSD

CSDRPT

WVW

VWt

)(

)(ln

パンチスルー時間（空間電荷領域がN-バッファ層にパンチスルーするまでの時間）

⇒ JC(t) は VCS 依存

⇒ tPT は VCS 依存

LpsatSN

NpsatDCSpsatS

PTCRvW

WvqNVvJ

,

2

2

,,

,2

2

⇒ JC,PT は VCS 依存

NBpt

PTCC eJtJ ,0

,)(

τp0,NB: N-バッファ層内の少数キャリア・ライフタイム

N-バッファ層内へは電界が入り込まない。低レベル注入

SNBD

Np

NBpNN ,

,0

,01

τp0,N: N-ベース領域内の少数キャリア・ライフタイム

NS: ライフタイム・スケール・ファクタ

ONC

PTC

NBpRoffJ

J

,

,

,0,1.0

ln

RoffPTOFF tt ,パンチスルー発生時点のコレクタ電流密度

パンチスルー発生後のコレクタ電流密度の時間変化

パンチスルー発生後からターンオフするまでの時間

（ターンオフ：オン状態のコレクタ電流JC,ON ⇒ 0.1JC,ON）

ターンオフ時間

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)

Time (ns)

スイッチング特性（ターンオフ：抵抗負荷の場合）（５）

71

)V(CSV

800

1000

600

317

, cm 101 NBDN

2

, A/cm 100ONCJ

μs 1,0 Np

μm 100NW

非対称IGBTの抵抗負荷ターンオフ時のコレクタ電流密度波形

PTCJ ,

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：対称型IGBTの場合（１）

72

t

)(tvG

0

0

0

t

t

GSV

)(tvC

)(tiC

ONCI ,

ONCI ,1.0

CSV

0

0

0

OFFIt ,

インダクタ負荷


電流テイル

OFFVt ,

ONV

IGBTのインダクタ負荷ターンオフ特性

（１）第１フェーズ：ゲート・ターンオフ～コレクタ電圧がコレクタ供給電圧に到達

コレクタ電流 ⇒一定値で流れ続ける（∵インダクタ負荷）（MOSFETチャネル電流遮断→正孔電流がコレクタ電流に寄与）

コレクタ電圧 ⇒線形でコレクタ供給電圧（＋ダイオード順方向電圧）まで上昇（P-ベースとN-ベース接合(J2)における空間電荷がこの上昇電圧をサポート）

（２）第２フェーズ：コレクタ電圧がコレクタ供給電圧に到達後

コレクタ電流 ⇒IGBTからダイオードに移り、指数関数的に低下（時定数はP+コレクタとN-ベース接合近傍のN-ベース領域内にある蓄積電荷の再結合時間に依存）

コレクタ電圧 ⇒コレクタ供給電圧（＋ダイオード順方向電圧）で一定

第１フェーズ

第２フェーズ

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：対称型IGBTの場合（２）

73

N-ベース

P+

J1

コレクタ

ep


y

電界 mE

(線形)

NW

J2

空間電荷領域

CIEI

エミッタ

0

P+

y

SCW


t

t

対称型IGBTターンオフ時インダクタ負荷の蓄積電荷と電界分布

t

・N-ベース領域の再結合無視 ⇒N-ベース領域のキャリア（正孔）は線形分布・空間電荷幅≒0 ・空間電荷領域端でキャリア（正孔）密度≒0

NW

ypyp 1)( 0

オン状態

第１フェーズ・N-ベース（伝導度変調）領域の上記正孔分布は変わらない

N

SCe

W

tWpyp

)()( 0

dt

tdW

W

tWqp

dt

tdWyqpJ SC

N

SCSCeONC

)()()()( 0,

空間電荷領域端の正孔密度

伝導度変調領域内の正孔密度分布

正孔電流密度

第２フェーズ

第２フェーズ

第１フェーズ

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：対称型IGBTの場合（３）

74

空間電荷幅の時間変化（空間電荷幅≒0（at t=0））

0

,2)(

qp

tJWtW

ONCN

SC

空間電荷層によってサポートされるコレクタ電圧

S

SCSCDC

tWpNqtV

2

)()(

2

psat

ONC

SCqv

Jp

,

,

第１フェーズ

pSC: 一定（∵JC,ON 一定（第１フェーズ））

t

p

JpNWtV

S

ONCSCDN

C

0

,)(

⇒ コレクタ電圧は時間で線形に増大

ONCSCDN

CSSOFFV

JpNW

Vpt

,

0,

⇒ tV,OFF: VCS に比例

SCD

CSSOFFVSC

pNq

VtW

2)( ,

第１フェーズ終了後の空間電荷幅第１フェーズの期間 NOFFVSC WtW )( ,

N-ベース領域のリーチスルーを防ぐために必要

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：対称型IGBTの場合（４）

75

第２フェーズ（コレクタ電流はN-ベース領域内の再結合に依存）

HL

NN p

dt

pd

N-ベース領域における正孔の連続の式（拡散成分無視）

δpN: N-ベース領域内の過剰正孔密度

HLt

NN eptptp

0)()(

P+

J1

)()( tptn NN

CI

y

蓄積電荷

t

N-

t

空乏領域

AEC Np

),0( tnC

),( tynC

キャリア密度（対数）

対称型IGBTターンオフ第２フェーズのP+コレクタと N-ベース接合におけるキャリア密度分布

kTqV

C

N

N

C Cetn

tn

tp

p

),0(

)(

)(AE

N

AE

NNC

N

tp

N

tptntn

)()()(),0(

2

nELy

CC etntyn

),0(),(HLHL t

ONC

t

AEnE

nE

AEnE

NnE

nE

CnE

y

CnEC

eJeNL

tpqD

NL

tpqD

L

tnqD

y

tynqDtJ

2

,

22

0

2

0

)(

)(),0(),()(

J1 における電子・正孔密度の関係

N-ベース領域の正孔の再結合 ⇒ P+ コレクタ領域の電子電流

（低レベル注入）

0

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：対称型IGBTの場合（５）

76

コレクタ電流ターンオフ時間（0.1×オン状態コレクタ電流に至る時間）

HLHL

OFFIt

15.1)10ln(2

,

（高レベルライフタイムのみに依存）

0

200

400

600

800

1000

1200

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10

Co

llect

or

Vo

ltag

e (V

)

Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)

Time (μs)

対称型IGBTのターンオフにおけるコレクタ電流と電圧

313 cm 105 DN

2

, A/cm 100ONCJ

μs 10HL

μm 200NW

317

0 cm1006.1 p

313cm1025.6 SCp

μs 5.11, OFFIt

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：非対称型IGBTの場合（１）

77

N-ベース

P+

J1

コレクタ

ep


y

電界 mE

(線形)

NW

J2

空間電荷領域

CIEI

エミッタ

0

P+

y

SCW


t

t

非対称型IGBTターンオフ時インダクタ負荷の蓄積電荷と電界分布

t

第２フェーズ

第２フェーズ

第１フェーズ

N-バッファ

NBW

WNBp

・N-ベース領域の再結合無視 ⇒N-ベース領域のキャリア（正孔）は線形分布・空間電荷幅≒0 ・空間電荷領域端でキャリア（正孔）密度≒0

N

WNBW

ypyp 1)(

オン状態

第１フェーズ・N-ベース（伝導度変調）領域の上記正孔分布は変わらない

N

SCWNBe

W

tWpyp

)()(

dt

tdW

W

tWqp

dt

tdWyqpJ SC

N

SCWNB

SCeONC

)()()()(,

空間電荷領域端の正孔密度

伝導度変調領域内の正孔密度分布

正孔電流密度

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：非対称型IGBTの場合（２）

78

空間電荷幅の時間変化（空間電荷幅≒0（at t=0））

WNB

ONCN

SCqp

tJWtW

,2)(

空間電荷層によってサポートされるコレクタ電圧

S

SCSCDC

tWpNqtV

2

)()(

2

psat

ONC

SCqv

Jp

,

,

第１フェーズ

pSC: 一定（∵JC,ON 一定（第１フェーズ））

t

p

JpNWtV

WNBS

ONCSCDN

C

,)( ⇒ コレクタ電圧は時間で線形に増大

ONCSCDN

CSWNBSOFFV

JpNW

Vpt

,

,

⇒ tV,OFF: VCS に比例

SCD

CSSOFFVSC

pNq

VtW

2)( ,

第１フェーズ終了後の空間電荷幅第１フェーズの期間

NOFFVSC WtW )( ,

左式は上記の場合に成立

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：非対称型IGBTの場合（３）

79

第２フェーズ（コレクタ電流はN-バッファ領域内の再結合に依存）

NBp

NBNB p

dt

pd

,0

N-ベース領域における正孔の連続の式（拡散成分無視）

δpNB: N-バッファ領域内の過剰正孔密度

NBpt

NNNBNNB eyptyptyp ,0)(),(),(

kTqV

C

NB

NNB

C Cetn

n

typ

p

),0(),(AE

NNBNBD

CN

typNtn

),(),0(

,

nELy

CC etntyn

),0(),(NBpNBp t

ONC

t

AEnE

NNBDnE

AEnE

NNBNBDnE

nE

CnE

y

CnEC

eJeNL

ypNqD

NL

typNqD

L

tnqD

y

tynqDtJ

,0,0

,

,

,

0

)(

),(),0(),()(

J1 における電子・正孔密度の関係

N-バッファ領域の正孔の再結合 ⇒ P+ コレクタ領域の電子電流

（低レベル注入）

P+

J1

NBDNB Nn ,

CI

y

蓄積電荷

t

N-バッファ層

t

空乏領域

AEC Np

),0( tnC

),( tynC

キャリア密度（対数）

非対称型IGBTターンオフ第２フェーズのP+コレクタと N-ベース接合におけるキャリア密度分布

)(tpNB

0Ny

スイッチング特性（ターンオフ：インダクタ負荷の場合）：非対称型IGBTの場合（４）

80

コレクタ電流ターンオフ時間（0.1×オン状態コレクタ電流に至る時間）

NBpNBpOFFIt ,0,0, 3.2)10ln(

（N-バッファ領域の少数キャリアライフタイムのみに依存）

313 cm 105 DN

2

, A/cm 100ONCJ

μs 1.0,0 NBp

μm 100NW

316 cm1027.1

WNBp313cm1025.6 SCp

μs 23.0, OFFIt

317 cm 101 NBN0

200

400

600

800

1000

1200

0

20

40

60

80

100

120

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Co

llect

or

Vo

ltag

e (V

)

Co

llect

or

Cu

rren

t D

ensi

ty (

A/c

m2)

Time (μs)

非対称型IGBTのターンオフにおけるコレクタ電流と電圧

μm 10NBW

μs 2HL （N-ベース領域）

ターンオフ期間のエネルギー損失

81

t

0

0

0

t

t

)(tvC

)(tiC

ONCI ,

ONV

CSV

0

0

0

)(tpOFFVE ,

OFFIE ,

0

, )( dttJVE CCSOFFIOFFVCSONCOFFV tVJE ,,,2

1

OFFt

ONCC eJtJ

,)(

対称型IGBT

非対称型IGBT

ターンオフ期間のエネルギー損失

第１フェーズ

第２フェーズ

第１フェーズ第２フェーズ

2

,

,,,

BaseNHL

CSONCOFFCSONCOFFI VJVJE

BufferNpCSONCOFFCSONCOFFI VJVJE ,0,,, OFFt

ONCC eJtJ

,)(

第２フェーズ

ターンオフ期間のエネルギー損失比較

82

2

, A/cm 100ONCJインダクタ負荷 V 800CSV

構造 tV,OFF

(μs)

EV,OFF

(mJ/cm2)

tI,OFF

(μs)

EI,OFF

(mJ/cm2)

EOFF

(mJ/cm2)

対称型IGBT 0.390 15.6 11.5 400 416

非対称型IGBT 0.094 3.8 0.23 8.0 11.8

パワー損失の最適化

83

対称型IGBTの１周期当たりのターンオフ・エネルギー損失とオン状態の電圧降下のトレードオフ

0

100

200

300

400

500

0 2 4 6 8 10

Turn

-off

En

ergy

Lo

ss p

er C

ycle

(m

J/cm

2)

On-state Voltage Drop (V)

ブロッキング電圧：1200V対応 μm 200NW ブロッキング電圧：1200V対応

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8 10

Turn

-off

En

ergy

Lo

ss p

er C

ycle

(m

J/cm

2)

On-state Voltage Drop (V)

μm 100NW

非対称型IGBTの１周期当たりのターンオフ・エネルギー損失とオン状態の電圧降下のトレードオフ

μm 10NBW

ターンオフとオン状態の損失 ⇒ トレードオフ関係（IGBT内部構造に依存）

ターンオン損失 ⇒ フライバック・ダイオードの逆回復特性に依存

低周波スイッチング動作 ⇒ オン状態損失増大

高周波スイッチング動作 ⇒ ターンオフ損失増大

igbtの伝導とスイッチング特性kobaweb/lecture/igbt20161127.pdfigbtの動作と出力特性...

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