用基本的物理原理理解IGBT（4）——剂量与电场-FS层-CS层

boxisu

发现在工作之余码字，尤其是技术类分享，还要准备图片、公式，有时候还要仿真，有点写Paper的感觉。虽然我写的都比较短，每篇内容很少，但是在保证严谨性的前提下，如果要长期坚持，确实也不容易。

本篇想放松一下，记录一点简单的推理：电场与剂量的关系。

1、为什么是剂量

在实际器件制造中，除了衬底的本底掺杂外，其它的掺杂，如FS层，CS层等，往往都是通过离子注入的方式来实现。离子注入的数量以单位面积的离子数，即剂量来计量。

剂量转化为浓度，需要考虑杂质分布。但是有些物理量，比如电场，恰好是与剂量直接线性相关的。

2、电场与剂量的关系

电场的分析归根结底都是泊松方程所描述的关系：

以上是简单的一维形式，不虽然简单，却很实用，有助于理解问题。

将这个公式积分就可以得到：

这个关系就很明显了，从a位置到b位置，其间的电场变化量与其间的掺杂剂量成正比。

3、FS层的相关问题

从上面关系可以知道，要阻止ΔE的电场，就需要一个最低的剂量保证。这对FS层深处的掺杂设计有指导意义。

因为击穿时的临界电场E0是根据本底掺杂浓度大概可知的，而电场变化率也是根据本底掺杂可以确定的，那么电场到达FS层时的值EFS就是可以确定的。这意味着如果想要在b位置实现截止电场，a-b之间至少需要的掺杂剂量是确定的。这是设计的下限值，否则漏电水平将超标。

4、CS层损失的电场与剂量的关系

与此类似，CS层中的杂质剂量决定了CS层将损失多少击穿电压。

CS层损失的电场ΔE=E0-E1，在不考虑FS层及CS层中承受的耐压时，损失的击穿电压可以简单作如下估计：

ΔBV=W*ΔE

W为基区宽度。可见，ΔE越大，BV损失越多。因此，在设计CS层时，应使CS层中的杂质总剂量被限制，以免过多地影响耐压。

那么什么样的CS层设计是比较好的设计？比如下面2种选择：

1）浓度为1，宽度为1

2）浓底为10，宽度为0.1

相信这个问题已经很清楚了。浓度并不影响BV的衰退。上面两种设计造成的BV衰退是相当的。

实际情况是，浓度提升还会带来临界击穿电场值的提升，因此对BV的影响将更小。

这是单纯考虑对BV的影响。CS层对载流子浓度的影响，也是设计CS层的考虑因素。这里面也有很多容易误导人的地方，最典型的就是将CS层解释为“空穴阻挡层”。

后面的MOSFET-FRD模型会讨论这些内容。

天师猫神

学习新知识

weiwei4

不错的资料，学习了