IGBT的物理结构模型—PIN&MOS模型（1）

分析IGBT，一般可以采用两种模型，一种是简化的“PIN+MOS”模型，一种是更切合实际的“PNP+MOS”模型，前者逻辑分析简单，可以描述清楚IGBT工作的基本特点；后者分析相对更复杂一些。下面我们先从第一种模型开始，分别论述。

如图所示，虚线框内描绘了电流从集电极到发射极的路径，分别经PIN和MOS沟道。实际的IGBT器件，与这个模型存在以下几个不同点：

实际的IGBT器件电流从集电极注入是全局注入，而非局域注入；

实际的IGBT空穴电流在MOS结构中不会通过沟道，而是从基区流出，只有电子电流从沟道流入。

下面，我们对IGBT的IV特性进行数学建模，在建模过程中，需要考虑以上两个不同点，对模型进行修正（这里先忽略PIN2，假设电流全部从PIN1流走，下一节会专门讨论PIN1和PIN2的不同）。

假设PIN的横截面宽度为（若沟槽两侧均为发射极，那么

近似为沟槽宽度），这里主要考虑了上述第1个不同点，即集电极注入的电流全部都通过注入PIN体内。

回顾PIN结构的IV表达式，如下：

其中，，和分别是双极型扩散系数和载流子寿命，具体定义可参阅“IGBT中的若干PN结”一章。假设IGBT的电流为，考虑到第一个不同点，那么上面表达式中的，其中为垂直于纸面方向延伸的长度。

进一步地，考虑上述第二个不同点，假设所有电流都通过MOS沟道，回顾MOS沟道压降的表达式，如下：

其中为沟道长度，为栅氧单位面积电容。当远小于时，正常工作时这个条件一般是成立的，上式可以简化为，

将PIN结和MOS的沟道压降相加，即可得到IGBT的IV特性：

举例：基于PIN+MOS模型，假设IGBT芯片厚度100μm，沟槽宽度1.5μm，沟道深度3μm，栅氧厚度120nm，载流子寿命5微秒，阈值电压为5V，栅极施加电压为15V，计算IGBT的IV特性曲线如图所示。

根据计算结果，显然存在一个二极管的开启电压值，略高于0.6V。超过这个开启电压后，IGBT的电流密度随着电压值的增大呈指数上升趋势。但对于实际IGBT器件而言，随着电流密度的增大，迁移率会相应降低，所以增长趋势也会相应变缓。

PIN+MOS模型可以比较直观地分析载流子寿命（因为包含了）、芯片厚度（因为包含了）对IGBT的IV特性的影响；同时，因为忽略了空穴电流的实际路径，所以对于准确理解IGBT的物理过程的精度是不够的，但作为最简单的等效模型，还是能为实际分析提供便利。