什么是IGBT的"膝电压"？
原创
功率半导体那些事儿
2024-01-07 07:18
揭秘：新一代半导体器件如何提升测试电源的性能 【8/27日研讨会】助力半导体封装：芯粒、光子集成和高科技粘合剂
转眼2024年的第一个周末了，也许只有到了隆冬，我们才会知道，我们身上有着一个不可战胜的夏天。之前在聊到特斯拉减少75% SiC用量的话题时，我们聊了Hybrid(Si IGBT+SiC MOS)，其中涉及到一个知识点IGBT的膝电压(Knee Voltage)，今天我们就来聊聊什么是IGBT的膝电压？01Knee电压PN结作为半导体器件最基础的单元，可以说是随处可见，在详细分解每个类型半导体器件时都从它开始。我们平常很多时候都从整体来看待一个器件，比如IGBT的传输特性曲线，
可以看到在IGBT的导通压降上有一个零点几伏的电压(如红色部分)，这个电压被称为膝电压。
下面我们就来从IGBT导通模型来了解下膝电压的形成，下图是IGBT的截面示意图，
IGBT器件的开启状态特性可以描述为一个MOSFET在其线性区域内与P-i-N整流串联工作，这两个部分的电压表达式如下，
p是细胞间距，IC和JC集电极电流及其密度，LCH是反转通道长度，μni是电子迁移率，COX氧化电容，VGE是栅极电压，VTH是阈值电压，n是非理想因子，VT是热电压，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电荷，IS是反向饱和电流。
IGBT芯片都是被封成各种封装来被使用，芯片的互连技术带来了引线电阻，从而产生相应的电压，所以在IGBT器件中导通电压还需要考虑引线带来的压降，所以在很对规格书中导通电阻那一项会备注是否包含引线电阻带来的压降。所以IGBT的导通压降由三个部分组成，即通过MOSFET、PiN整流器和引线的电压降之和。
我们可以看到，很小的电流下，通过MOS和引线的电压降几乎为0，因此由于低反向饱和电流Is(通常为10^-8至-14A大小)通过PiN部分的电压降在导通特性中形成了一个“膝盖”(是不是蛮形象的），所以此电压被称为"knee电压"。
这个膝电压是IGBT器件的一个固有参数，与传导电流无关。此外，反向饱和电流IS和热电压VT均与温度呈正相关，所以根据上述式子，膝电压与温度成负相关。
02小结今天主要聊了什么是IGBT的膝电压，同时也可以说明另一个小问题，“为什么IGBT的传输特性曲线不是从0V开始，而MOSFET的是从0V开始”。
膝电压这个概念很陌生，但我们工作中却看到了它无数次（传输特性曲线），今天的内容希望你们能够喜欢！
ENDPower semiconductors
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