2024年4月25日发(作者：蓬运凯)
总第２８４期
２０１３年第６期
计算机与数字工程
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．６
９９９
ＩＧＢＴ电气参数的温度特性分析
张狄林
（海军驻湖南地区军事代表室
摘 要
湘潭４１１１０１）
半导体功率器件ＩＧＢＴ的电气性能与结温关系密切，研究其在不同结温下的电气参数特性对于提高应用器件的可靠性具有重
要的意义。论文基于ＩＧＢＴ结构和半导体物理理论，通过实验测试分析了ＩＧＢＴ击穿电压、集电极漏电流、栅极门槛电压、开关时间等参数
与温度的关系，并得到了这些参数的温度特性曲线。
关键词ＩＧＢＴ；电气参数；温度特性
ＴＰ３９１ 中图分类号
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＩＧＢＴ
ＺＨＡＮＧ Ｄｉｌｉｎ
（Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｓ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｎａｖｙ Ｈｕｎａｎ Ａｒｅａ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１１１０１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｒｅ ｔｉｇｈｔｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｌｅｃ—
ｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｍｅａｎｉｎｇ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＩＧＢＴ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＩＧＢＴ ａｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐｈｙｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｒｅａｋ ｖｏｌｔａｇｅ，ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｄｒａｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｇａｔｅ
ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ，ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．
ＫｅＹ Ｗｏｒｄｓ ＩＧＢＴ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ３９】
１ 引言
绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）是一种综合了功率场效应
射区和Ｎ一基区，但各自的栅极与ｐ＋集电体区都相互独
立。图１中虚线框为ＰＴ型或ＦＳ型ＩＧＢＴ的一个元胞结
构，ＮＰＴ型ＩＧＢＴ只需去掉图中的Ｎ＋缓冲层／场终止层。
晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）和双极型晶体管（ＢＪＴ）结构的复合器
件，并且同时吸收了二者的优点ｌ＿１ｑ］，具有输入阻抗高、开
关速度快、驱动功率小、饱和压降低、控制电路简单、承受电
流大等特性，在各种电力电子变换装置中得到了广泛的应
用。自１９８６年投入市场后，ＩＧＢＴ迅速扩展应用领域，成为
中、大功率电力电子装置的主导器件，不仅应用于电力系
统，而且也广泛应用于一般工业、交通运输、通信系统、计算
机系统、新能源系统ｌ３ ］。
温度是所有半导体器件极为敏感的参数，因为半导体
物理常数和器件内部参数，包括载流子迁移率、本征载流子
浓度、过剩载流子寿命以及跨导等都会随温度的变化而发
生改变，从而导致ＩＧＢＴ击穿电压、开关时间、导通压降和
集电极漏电流等电气参数性能发生变化ｌ５
发生很大的突变。
，有些甚至会
ＩＧＢＴ 日极 …………………………一
本文根据ＩＧＢＴ结构和物理半导体理论，分析了ＩＧＢＴ
击穿电压、集电极漏电流、栅极门槛电压、开关时间等电气
图１沟槽栅场终止型ＩＧＢＴ元胞结构
从图１可以看出，单个ＩＧＢＴ元胞可以看成是ＰＮＰ型
晶体管和Ｎ沟道型ＭＯＳＦＥＴ的复合结构，即是由ＭＯＳ—
ＦＥＴ驱动的ＢＪＴ。
参数的温度特性，并实验测量了在不同温度点下的值。
２ ＩＧＢＴ基本结构
ＩＧＢＴ本质上是一个由ＭＯＳＦＥＴ驱动的ＢＪＴ管，在结
构上与功率ＭＯＳＦＥＴ相似。每个ＩＧＢＴ单芯片都是由数
以千计的ＩＧＢＴ元胞并联而成，这些元胞具有共同的Ｐ＋发
３ ＩＧＢＴ电气参数的温度特性
ＩＧＢＴ等半导体功率器件的电气参数对温度极为敏感，
工作过程中随着结温的上升，其内部载流子浓度、本征载流
＊收稿日期：２０１２年１２月７日，修回日期：２０１３年１月１８日
作者简介：张狄林，男，高级工程师，研究方向：电气工程。
１０００ 张狄林：ＩＧＢＴ电气参数的温度特性分析 第４１卷
子浓度、载流子迁移率、扩散系数等都会发生变化，从而导
致击穿电压、集电极漏电流、栅极门槛电压、开关时间等发
生变化。
增大，通过电场加速积累动能并达到可发生电离的碰撞更
为困难，需要更高的电场才能使载流子获得足够的能量积
累从而产生碰撞电离，电场增高意味着击穿电压会随温度
的升高而稍有增加，即击穿电压表现出小的正温度系数特
性，考虑到温度的影响，有：
／，ｒ、０ ３５
从建立的ＩＧＢＴ数学模型所需的内部仿真参数来看，
与温度相关的参数分为两类，第一类是器件的内部参数，包
括过剩载流子寿命、栅极门槛电压、跨导和发射极电子饱和
电流等。另一类是材料的半导体物理常数，包括本征载流
子浓度、载流子迁移率和扩散系数等。
其中，本征载流子浓度随温度的变化关系可表示为
（丁，）一ＶＡ（ ）（ ）
＼』０，
（５）
时的值， 其中，ＶＡ（ ）表示雪崩击穿电压在温度
３００Ｋ进行计算。
（Ｔｏ）表示雪崩击穿电压在温度 时的值，一般取室温
根据ＩＧＢＴ输出特性曲线中截止区的电压一电流特性，
（Ｔ）一ＮｃＮ （ Ｔ）。ｅｘｐ（一舞） （１）
式中： 一２．８×ｉ０ ｃｍ 为导带有效状态密度；Ｎｖ—ｌ＿０４
×１０ ｃｒｎ 为价带有效状态密度；忌一８．６２×１０ ｅＶ／Ｋ为
玻尔兹曼常数； 为硅材料的禁带宽度，与温度的关系为
Ｅ （丁）一 （Ｏ）－－ａＴ （２）
式中： （０）一１．２０６ｅＶ为绝对零度时的禁带宽度；ａ一
２．７３２５×１０ ｅＶ／Ｋ为比例系数；将式（２）代入式（１）可得：
Ｔ）一ｃ（ ） ￣／ｅｘｐ（１．２０６） （３）
式中，Ｃ一８．３２４×１０ ｃｍ Ｋ 为比例系数。
采用Ｍａｔｈｃａｄ数学计算软件仿真得到本征载流子浓度
与温度的关系如图２所示。
ｇ
｜’
７
将
／
／
．
图２本征载流子浓度与温度的关系曲线
载流子的迁移率反映了载流子的平均漂移速度与电场
之间的关系，与温度和掺杂浓度相关，对准中性基区压降的
影响大。影响载流子迁移率的两种散射机制分别是晶格散
射和电离杂质散射，在室温以上时，晶格散射是主要散射机
构，载流子迁移率随温度升高而减小，与，ｒ 成正比；另外，
杂质原子可以控制或改变半导体的性质，当掺杂浓度增大
时，迁移率减小。载流子扩散系数描述了半导体中载流子
在浓度梯度作用下的运动情况，与载流子迁移率相关，二者
之间满足爱因斯坦关系：
一 一 （４）
／１ｎ ｛工ｐ ｅ
式中， 和Ｄ 分别为电子和空穴载流子扩散系数。
３．１击穿电压的温度特性
由于ＩＧＢＴ是一种复合结构器件，内部ＰＮＰ晶体管的
放大作用会导致Ｊ２结的雪崩击穿电压降低，因此ＩＧＢＴ的
击穿电压受Ｊ２结的雪崩击穿、穿通击穿和共基极晶体管的
电流增益共同影响，即由ＰＮ结雪崩击穿电压、雪崩倍增因
子和基极电流增益共同决定。考虑到电流增益对ＰＮ结雪
崩击穿电压的影响，ＩＧＢＴ实际的雪崩击穿电压会比Ｊ２结
的理论雪崩击穿电压有所降低。
由于温度升高，晶格震动加剧，电子与晶格碰撞的机会
对ＩＧＢＴ雪崩击穿电压值的测试。测试ＩＧＢＴ雪崩击穿电
压的温度特性。通过恒温烤箱给器件加热一段时间后认为
结温等于烤箱设定的温度，通过监测集电极漏电流的变化，
测量在不同温度下的雪崩击穿电压值，选取两种型号
ＦＳ１５Ｒ０６ＶＥ３和ＧＤ５０ＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ，结果如表１所
示。
表１不同温度下的击穿电压
温度（℃）ＦＳ１５Ｒ０６ＶＥ３（Ｖ）ＧＤＳＯＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ（Ｖ）
２５ ８０５ １３７０
７５ ８４０
１４０５
１２５ ８７５ １４３８
１５Ｏ ８９０ １４７０
从表可以看出，ＩＧＢＴ雪崩击穿电压具有正温度系数，
约为０．７～Ｏ．８Ｖ／℃。
３．２集电极漏电流的温度特性
在以ＰＮ结承受反向电压的功率ＩＧＢＴ器件中，同时考
虑外加阻断电压和温度的影响，反向电流包含了ＰＮ结的
扩散电流和空间电荷区的产生电流两部分，对于ＩＧＢＴ内
部Ｐ＋Ｎ结，其集电极漏电流可表示为
ｒ
Ａｑ ￣／Ｄｐ ＡｑｎｉＷ ，
ｒ
其中：Ａ为芯片有效工作面积；ｑ为电子电荷量ｍ为本征
载流子浓度；Ｄｐ为空穴扩散系数； 为空穴复合寿命； 是
空间电荷区中额外载流子的产生寿命；Ｗ为准中性基区宽
度。
式（６）与理想的ＰＮ结反向电流表达式相比，考虑到
ＩＧＢＴ基区载流子热平衡时的大注入效应且Ｐ区的少子密
度很低，因此去掉了Ｐ区的扩散项，而增加了表示产生电流
的第二项。其中第一项是由结温引起的扩散电流，第二项
是外加电场的产生电流，均与璃有关，扩散电流由于与
的平方成正比，随温度的变化更为激烈。因此，在室温附近
产生电流起主导作用，而在高温区扩散电流起主导作用。
实验测试选择型号为ＧＤ５ＯＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ模
块，将其放入烤箱进行加热到指定温度，一段时间后达到热
平衡，认为烤箱温度为ＩＧＢＴ结温。分别选取母线电压为
６００Ｖ和１２００Ｖ，测量从２５￣Ｃ～２Ｏ５℃时的集电极漏电流，将
其拟合成如图３所示。
从图３可以看出，ＩＧＢＴ集电极漏电流在１５０℃以下时
随温度变化很小，几乎可以忽略不计，而在１５Ｏ￣Ｃ以上时随
温度成指数特征上升，发生急剧增加，从而变得不可忽略。
３．３栅极门槛电压的温度特性
ＩＧＢＴ栅极门槛电压为能使栅极下方产生导电沟道从
２０１３年第６期 计算机与数字工程 １００１
４５
４０
３５
６００Ｖ
３０
—
２５
２ｏ
１５
１２００Ｖ｜｜
１０
，／
５
ｆ
０
． ． 。 ．
图３集电极漏电流的温度变化曲线
而有足够电流使ＩＧＢＴ导通时的最小栅极一发射极电压，可
表示为
筹一［争一寺（ 扎ｓ）］（ｚ一－ 巫２￣ＦＢＣ￣ ／１
（７）
其中： 为表面费米势，Ｎ 为最大浓度， 为门极氧化
电容，Ｔ为绝对温度，ｋ为玻尔兹曼常数， 为禁带宽度。
式（７）表明栅极门槛电压随温度增加而减小。对型号
为ＧＤ５０ＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ模块进行栅极门槛电压测
试，根据手册测试当集电极电流为２ｍＡ时为栅极门槛电
压。同样的实验方法，得到在不同温度下的栅极门槛电压，
拟合成如图４所示。
—＼
～—
、
＼
图４不同温度时的栅极门槛电压
从图４可以看出，栅极门槛电压随温度成负温度系数，在
结温１７５℃以下时随温度变化率为一Ｏ．００８Ｗ℃，在１７５℃以上
时栅极门槛电压随温度变化更为剧烈，约为一Ｏ．Ｏ３ｖ／℃。这是
因为硅半导体的禁带宽度随温度增加而减小，而高温时载流子
浓度的上升使得形成沟道使的电压降低。
３．４开关时间的温度特性
对型号为ＧＤ５０ＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ模块进行开关瞬
态的温度特性实验，采用一套带恒温控制的底板加热设备
对ＩＧＢＴ模块进行加热，将结温升高到指定高度，将结温设
定在２５℃、５Ｏ℃、７５℃和５Ｏ℃，电压为６００Ｖ时，对开通瞬态
和关断瞬态的电压、电流波形进行测量，如图５所示。
从图５可以看出，关断时电压尖峰随着温度的上升而
减小，这是由于关断时间随着温度的上升而变长，主要有两
个方面的原因：一是随着温度的升高，耗尽层载流子寿命随
之增大，减缓了载流子复合的衰减速率，因此注入到基区的
载流子需要更长的时间去衰减到达平衡状态；二是由于
ＩＧＢＴ元胞温度的上升，内部ＰＮＰ型晶体管的电流增益随
之增大，导致集电极电流必须要从一个更高的值开始衰减，
这增加了电流的关断时间，延长了关断过程。两方面的原
因同时导致了ＩＧＢＴ的关断时间随着温度的上升而增加。
而开通时间几乎不随温度发生变化。
－－＿－～
１—一一
；℃
２
・Ｕ乙
Ｔ＝５０￣Ｃ ７５℃
７５℃
百３００
１
、 。＿１００℃
脚
ｙ
ｆ
０
时间（ｕｓ１
时间（ｕｓ
ｆａ）关断电流 （ｂ）关断电压
—
２
ｒ
《
＼ 一 Ｔ／－＇２５０５ ｏ℃Ｃ
廿１
卜 ？Ｔ一＿。＝２５＿５０＿℃Ｑ一
／ 』…Ｌ１００℃
（． ＬＴ ＝７１０５℃０℃
时间（ｕｓ） 时间（ｕｓ）
（ｃ）开通电流 （ｄ）开通电压
图５不同温度下的ＩＧＢＴ开关波形
４结语
本文基于半导体物理理论，分析了ＩＧＢＴ电气参数的
温度特性，表明这些参数随着结温的上升会发生变化，有些
甚至是剧烈的增大，对于指导ＩＧＢＴ器件工程应用具有一
定的意义。
参考文献
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［１Ｏ］Ｆｏｃｋ Ｊ Ｌ，Ｃｈａｎｃｈａｔ Ｂ，Ｎｉｃｏｌａｕ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ
ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ＩＧＢＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｔ Ｌａｒｇｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｃ￣／／Ｐｒｏ—
ｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＭＩＸＤＥＳ，２００８：１９ ２１．
2024年4月25日发(作者：蓬运凯)
总第２８４期
２０１３年第６期
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Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．６
９９９
ＩＧＢＴ电气参数的温度特性分析
张狄林
（海军驻湖南地区军事代表室
摘 要
湘潭４１１１０１）
半导体功率器件ＩＧＢＴ的电气性能与结温关系密切，研究其在不同结温下的电气参数特性对于提高应用器件的可靠性具有重
要的意义。论文基于ＩＧＢＴ结构和半导体物理理论，通过实验测试分析了ＩＧＢＴ击穿电压、集电极漏电流、栅极门槛电压、开关时间等参数
与温度的关系，并得到了这些参数的温度特性曲线。
关键词ＩＧＢＴ；电气参数；温度特性
ＴＰ３９１ 中图分类号
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＩＧＢＴ
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ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＩＧＢＴ ａｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐｈｙｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｒｅａｋ ｖｏｌｔａｇｅ，ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｄｒａｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｇａｔｅ
ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ，ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．
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Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ３９】
１ 引言
绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）是一种综合了功率场效应
射区和Ｎ一基区，但各自的栅极与ｐ＋集电体区都相互独
立。图１中虚线框为ＰＴ型或ＦＳ型ＩＧＢＴ的一个元胞结
构，ＮＰＴ型ＩＧＢＴ只需去掉图中的Ｎ＋缓冲层／场终止层。
晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）和双极型晶体管（ＢＪＴ）结构的复合器
件，并且同时吸收了二者的优点ｌ＿１ｑ］，具有输入阻抗高、开
关速度快、驱动功率小、饱和压降低、控制电路简单、承受电
流大等特性，在各种电力电子变换装置中得到了广泛的应
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温度是所有半导体器件极为敏感的参数，因为半导体
物理常数和器件内部参数，包括载流子迁移率、本征载流子
浓度、过剩载流子寿命以及跨导等都会随温度的变化而发
生改变，从而导致ＩＧＢＴ击穿电压、开关时间、导通压降和
集电极漏电流等电气参数性能发生变化ｌ５
发生很大的突变。
，有些甚至会
ＩＧＢＴ 日极 …………………………一
本文根据ＩＧＢＴ结构和物理半导体理论，分析了ＩＧＢＴ
击穿电压、集电极漏电流、栅极门槛电压、开关时间等电气
图１沟槽栅场终止型ＩＧＢＴ元胞结构
从图１可以看出，单个ＩＧＢＴ元胞可以看成是ＰＮＰ型
晶体管和Ｎ沟道型ＭＯＳＦＥＴ的复合结构，即是由ＭＯＳ—
ＦＥＴ驱动的ＢＪＴ。
参数的温度特性，并实验测量了在不同温度点下的值。
２ ＩＧＢＴ基本结构
ＩＧＢＴ本质上是一个由ＭＯＳＦＥＴ驱动的ＢＪＴ管，在结
构上与功率ＭＯＳＦＥＴ相似。每个ＩＧＢＴ单芯片都是由数
以千计的ＩＧＢＴ元胞并联而成，这些元胞具有共同的Ｐ＋发
３ ＩＧＢＴ电气参数的温度特性
ＩＧＢＴ等半导体功率器件的电气参数对温度极为敏感，
工作过程中随着结温的上升，其内部载流子浓度、本征载流
＊收稿日期：２０１２年１２月７日，修回日期：２０１３年１月１８日
作者简介：张狄林，男，高级工程师，研究方向：电气工程。
１０００ 张狄林：ＩＧＢＴ电气参数的温度特性分析 第４１卷
子浓度、载流子迁移率、扩散系数等都会发生变化，从而导
致击穿电压、集电极漏电流、栅极门槛电压、开关时间等发
生变化。
增大，通过电场加速积累动能并达到可发生电离的碰撞更
为困难，需要更高的电场才能使载流子获得足够的能量积
累从而产生碰撞电离，电场增高意味着击穿电压会随温度
的升高而稍有增加，即击穿电压表现出小的正温度系数特
性，考虑到温度的影响，有：
／，ｒ、０ ３５
从建立的ＩＧＢＴ数学模型所需的内部仿真参数来看，
与温度相关的参数分为两类，第一类是器件的内部参数，包
括过剩载流子寿命、栅极门槛电压、跨导和发射极电子饱和
电流等。另一类是材料的半导体物理常数，包括本征载流
子浓度、载流子迁移率和扩散系数等。
其中，本征载流子浓度随温度的变化关系可表示为
（丁，）一ＶＡ（ ）（ ）
＼』０，
（５）
时的值， 其中，ＶＡ（ ）表示雪崩击穿电压在温度
３００Ｋ进行计算。
（Ｔｏ）表示雪崩击穿电压在温度 时的值，一般取室温
根据ＩＧＢＴ输出特性曲线中截止区的电压一电流特性，
（Ｔ）一ＮｃＮ （ Ｔ）。ｅｘｐ（一舞） （１）
式中： 一２．８×ｉ０ ｃｍ 为导带有效状态密度；Ｎｖ—ｌ＿０４
×１０ ｃｒｎ 为价带有效状态密度；忌一８．６２×１０ ｅＶ／Ｋ为
玻尔兹曼常数； 为硅材料的禁带宽度，与温度的关系为
Ｅ （丁）一 （Ｏ）－－ａＴ （２）
式中： （０）一１．２０６ｅＶ为绝对零度时的禁带宽度；ａ一
２．７３２５×１０ ｅＶ／Ｋ为比例系数；将式（２）代入式（１）可得：
Ｔ）一ｃ（ ） ￣／ｅｘｐ（１．２０６） （３）
式中，Ｃ一８．３２４×１０ ｃｍ Ｋ 为比例系数。
采用Ｍａｔｈｃａｄ数学计算软件仿真得到本征载流子浓度
与温度的关系如图２所示。
ｇ
｜’
７
将
／
／
．
图２本征载流子浓度与温度的关系曲线
载流子的迁移率反映了载流子的平均漂移速度与电场
之间的关系，与温度和掺杂浓度相关，对准中性基区压降的
影响大。影响载流子迁移率的两种散射机制分别是晶格散
射和电离杂质散射，在室温以上时，晶格散射是主要散射机
构，载流子迁移率随温度升高而减小，与，ｒ 成正比；另外，
杂质原子可以控制或改变半导体的性质，当掺杂浓度增大
时，迁移率减小。载流子扩散系数描述了半导体中载流子
在浓度梯度作用下的运动情况，与载流子迁移率相关，二者
之间满足爱因斯坦关系：
一 一 （４）
／１ｎ ｛工ｐ ｅ
式中， 和Ｄ 分别为电子和空穴载流子扩散系数。
３．１击穿电压的温度特性
由于ＩＧＢＴ是一种复合结构器件，内部ＰＮＰ晶体管的
放大作用会导致Ｊ２结的雪崩击穿电压降低，因此ＩＧＢＴ的
击穿电压受Ｊ２结的雪崩击穿、穿通击穿和共基极晶体管的
电流增益共同影响，即由ＰＮ结雪崩击穿电压、雪崩倍增因
子和基极电流增益共同决定。考虑到电流增益对ＰＮ结雪
崩击穿电压的影响，ＩＧＢＴ实际的雪崩击穿电压会比Ｊ２结
的理论雪崩击穿电压有所降低。
由于温度升高，晶格震动加剧，电子与晶格碰撞的机会
对ＩＧＢＴ雪崩击穿电压值的测试。测试ＩＧＢＴ雪崩击穿电
压的温度特性。通过恒温烤箱给器件加热一段时间后认为
结温等于烤箱设定的温度，通过监测集电极漏电流的变化，
测量在不同温度下的雪崩击穿电压值，选取两种型号
ＦＳ１５Ｒ０６ＶＥ３和ＧＤ５０ＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ，结果如表１所
示。
表１不同温度下的击穿电压
温度（℃）ＦＳ１５Ｒ０６ＶＥ３（Ｖ）ＧＤＳＯＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ（Ｖ）
２５ ８０５ １３７０
７５ ８４０
１４０５
１２５ ８７５ １４３８
１５Ｏ ８９０ １４７０
从表可以看出，ＩＧＢＴ雪崩击穿电压具有正温度系数，
约为０．７～Ｏ．８Ｖ／℃。
３．２集电极漏电流的温度特性
在以ＰＮ结承受反向电压的功率ＩＧＢＴ器件中，同时考
虑外加阻断电压和温度的影响，反向电流包含了ＰＮ结的
扩散电流和空间电荷区的产生电流两部分，对于ＩＧＢＴ内
部Ｐ＋Ｎ结，其集电极漏电流可表示为
ｒ
Ａｑ ￣／Ｄｐ ＡｑｎｉＷ ，
ｒ
其中：Ａ为芯片有效工作面积；ｑ为电子电荷量ｍ为本征
载流子浓度；Ｄｐ为空穴扩散系数； 为空穴复合寿命； 是
空间电荷区中额外载流子的产生寿命；Ｗ为准中性基区宽
度。
式（６）与理想的ＰＮ结反向电流表达式相比，考虑到
ＩＧＢＴ基区载流子热平衡时的大注入效应且Ｐ区的少子密
度很低，因此去掉了Ｐ区的扩散项，而增加了表示产生电流
的第二项。其中第一项是由结温引起的扩散电流，第二项
是外加电场的产生电流，均与璃有关，扩散电流由于与
的平方成正比，随温度的变化更为激烈。因此，在室温附近
产生电流起主导作用，而在高温区扩散电流起主导作用。
实验测试选择型号为ＧＤ５ＯＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ模
块，将其放入烤箱进行加热到指定温度，一段时间后达到热
平衡，认为烤箱温度为ＩＧＢＴ结温。分别选取母线电压为
６００Ｖ和１２００Ｖ，测量从２５￣Ｃ～２Ｏ５℃时的集电极漏电流，将
其拟合成如图３所示。
从图３可以看出，ＩＧＢＴ集电极漏电流在１５０℃以下时
随温度变化很小，几乎可以忽略不计，而在１５Ｏ￣Ｃ以上时随
温度成指数特征上升，发生急剧增加，从而变得不可忽略。
３．３栅极门槛电压的温度特性
ＩＧＢＴ栅极门槛电压为能使栅极下方产生导电沟道从
２０１３年第６期 计算机与数字工程 １００１
４５
４０
３５
６００Ｖ
３０
—
２５
２ｏ
１５
１２００Ｖ｜｜
１０
，／
５
ｆ
０
． ． 。 ．
图３集电极漏电流的温度变化曲线
而有足够电流使ＩＧＢＴ导通时的最小栅极一发射极电压，可
表示为
筹一［争一寺（ 扎ｓ）］（ｚ一－ 巫２￣ＦＢＣ￣ ／１
（７）
其中： 为表面费米势，Ｎ 为最大浓度， 为门极氧化
电容，Ｔ为绝对温度，ｋ为玻尔兹曼常数， 为禁带宽度。
式（７）表明栅极门槛电压随温度增加而减小。对型号
为ＧＤ５０ＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ模块进行栅极门槛电压测
试，根据手册测试当集电极电流为２ｍＡ时为栅极门槛电
压。同样的实验方法，得到在不同温度下的栅极门槛电压，
拟合成如图４所示。
—＼
～—
、
＼
图４不同温度时的栅极门槛电压
从图４可以看出，栅极门槛电压随温度成负温度系数，在
结温１７５℃以下时随温度变化率为一Ｏ．００８Ｗ℃，在１７５℃以上
时栅极门槛电压随温度变化更为剧烈，约为一Ｏ．Ｏ３ｖ／℃。这是
因为硅半导体的禁带宽度随温度增加而减小，而高温时载流子
浓度的上升使得形成沟道使的电压降低。
３．４开关时间的温度特性
对型号为ＧＤ５０ＨＦＬ１２０Ｃ１Ｓ的ＩＧＢＴ模块进行开关瞬
态的温度特性实验，采用一套带恒温控制的底板加热设备
对ＩＧＢＴ模块进行加热，将结温升高到指定高度，将结温设
定在２５℃、５Ｏ℃、７５℃和５Ｏ℃，电压为６００Ｖ时，对开通瞬态
和关断瞬态的电压、电流波形进行测量，如图５所示。
从图５可以看出，关断时电压尖峰随着温度的上升而
减小，这是由于关断时间随着温度的上升而变长，主要有两
个方面的原因：一是随着温度的升高，耗尽层载流子寿命随
之增大，减缓了载流子复合的衰减速率，因此注入到基区的
载流子需要更长的时间去衰减到达平衡状态；二是由于
ＩＧＢＴ元胞温度的上升，内部ＰＮＰ型晶体管的电流增益随
之增大，导致集电极电流必须要从一个更高的值开始衰减，
这增加了电流的关断时间，延长了关断过程。两方面的原
因同时导致了ＩＧＢＴ的关断时间随着温度的上升而增加。
而开通时间几乎不随温度发生变化。
－－＿－～
１—一一
；℃
２
・Ｕ乙
Ｔ＝５０￣Ｃ ７５℃
７５℃
百３００
１
、 。＿１００℃
脚
ｙ
ｆ
０
时间（ｕｓ１
时间（ｕｓ
ｆａ）关断电流 （ｂ）关断电压
—
２
ｒ
《
＼ 一 Ｔ／－＇２５０５ ｏ℃Ｃ
廿１
卜 ？Ｔ一＿。＝２５＿５０＿℃Ｑ一
／ 』…Ｌ１００℃
（． ＬＴ ＝７１０５℃０℃
时间（ｕｓ） 时间（ｕｓ）
（ｃ）开通电流 （ｄ）开通电压
图５不同温度下的ＩＧＢＴ开关波形
４结语
本文基于半导体物理理论，分析了ＩＧＢＴ电气参数的
温度特性，表明这些参数随着结温的上升会发生变化，有些
甚至是剧烈的增大，对于指导ＩＧＢＴ器件工程应用具有一
定的意义。
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