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IGBT中的MOS结构—输入电容(上)

冬至子 来源:橘子说IGBT 作者:orange 2023-11-29 16:42 次阅读

MOS是金属氧化物半导体结构,氧化物是绝缘层,有绝缘层即意味着存在电容。大家知道,电容常见表达式为图片,即电容存储的电荷是电容与电压的乘积;图片是电流与时间的积分,而MOS中的阈值电压图片受到电容的控制,因此电容决定了MOS的开启速度,进而也就决定了IGBT的频率响应特性。

还是以沟槽型IGBT的MOS结构为例,如图所示,其输入电容包含两个部分,一是栅极与源极之间的电容图片,二是栅极与漏极之间的电容图片

图片

我们先看图片,包括(图片)与图片,以及金属的重叠部分,即栅极与源极之间的电容

图片

等式右边的各项电容均可根据其几何尺寸计算得出,

图片

其中,图片为真空介电常数,图片为氧化物的相对介电常数,图片为重合面积(注意,这里忽略了重叠的边缘部分电容)。图片的下标加一个“1”,是因为这个表达式还需要修正。

回顾一下之前对于MOS能带弯曲的分析,随着栅极电压的增加(P型半导体),半导体与氧化硅界面会经历先耗尽后反型的的过程,最终形成沟道。所以图片中还存在一个耗尽电容图片,与图片串联。

图片是一个随栅极电压变化的电容。当MOS栅极施加负电压时,栅氧与P型硅表面会产生积累的正电荷,相应地,在栅氧与多晶硅的界面产生负电荷积累,这是一个对图片充电的过程,所以图片可认为不存在;当MOS栅极施加正电压时, P型硅表面的空穴被排斥,形成耗尽区,导带向接近费米能级的方向弯曲,耗尽区的宽度对应图片。在前面对MOS阈值电压的“强反型”说明中,未做具体推导,但给出了强反型的结论,即图片将随图片呈指数级增长,根据电容的定义,

图片

显然耗尽区的宽度会随栅极电压图片的增加而增加,直到反型层形成,耗尽区不再扩展,相应的图片达到最小值。所以,可以预期图片的变化趋势如下图所示。

图片

注:因为电容测试必须用交流信号,而反型层的电荷分布可能受随交流信号的变化而变化,尤其是对于功率MOS而言,反型层中电子很容易从发射极得到补充,所以图片在低频信号下难以测到,经常测到的CV曲线是图中的虚线所示。

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