什么是IGBT的“膝電壓”？

轉(zhuǎn)眼2024年的第一個(gè)周末了，也許只有到了隆冬，我們才會(huì)知道，我們身上有著一個(gè)不可戰(zhàn)勝的夏天。之前在聊到特斯拉減少75% SiC用量的話題時(shí)，我們聊了Hybrid(Si IGBT+SiC MOS)，其中涉及到一個(gè)知識(shí)點(diǎn)IGBT的膝電壓(Knee Voltage)，今天我們就來(lái)聊聊什么是IGBT的膝電壓？

01、Knee電壓

PN結(jié)作為半導(dǎo)體器件最基礎(chǔ)的單元，可以說(shuō)是隨處可見，在詳細(xì)分解每個(gè)類型半導(dǎo)體器件時(shí)都從它開始。我們平常很多時(shí)候都從整體來(lái)看待一個(gè)器件，比如IGBT的傳輸特性曲線，

可以看到在IGBT的導(dǎo)通壓降上有一個(gè)零點(diǎn)幾伏的電壓(如紅色部分)，這個(gè)電壓被稱為膝電壓。

下面我們就來(lái)從IGBT導(dǎo)通模型來(lái)了解下膝電壓的形成，下圖是IGBT的截面示意圖，

IGBT器件的開啟狀態(tài)特性可以描述為一個(gè)MOSFET在其線性區(qū)域內(nèi)與P-i-N整流串聯(lián)工作，這兩個(gè)部分的電壓表達(dá)式如下，

p是細(xì)胞間距，IC和JC集電極電流及其密度，LCH是反轉(zhuǎn)通道長(zhǎng)度，μni是電子遷移率，COX氧化電容，VGE是柵極電壓，VTH是閾值電壓，n是非理想因子，VT是熱電壓，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，q是電子電荷，IS是反向飽和電流。

IGBT芯片都是被封成各種封裝來(lái)被使用，芯片的互連技術(shù)帶來(lái)了引線電阻，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，所以在IGBT器件中導(dǎo)通電壓還需要考慮引線帶來(lái)的壓降，所以在很對(duì)規(guī)格書中導(dǎo)通電阻那一項(xiàng)會(huì)備注是否包含引線電阻帶來(lái)的壓降。所以IGBT的導(dǎo)通壓降由三個(gè)部分組成，即通過(guò)MOSFET、PiN整流器和引線的電壓降之和。

我們可以看到，很小的電流下，通過(guò)MOS和引線的電壓降幾乎為0，因此由于低反向飽和電流Is(通常為10^-8至-14A大小)通過(guò)PiN部分的電壓降在導(dǎo)通特性中形成了一個(gè)“膝蓋”(是不是蠻形象的），所以此電壓被稱為"knee電壓"。

這個(gè)膝電壓是IGBT器件的一個(gè)固有參數(shù)，與傳導(dǎo)電流無(wú)關(guān)。此外，反向飽和電流IS和熱電壓VT均與溫度呈正相關(guān)，所以根據(jù)上述式子，膝電壓與溫度成負(fù)相關(guān)。

02、小結(jié)

今天主要聊了什么是IGBT的膝電壓，同時(shí)也可以說(shuō)明另一個(gè)小問(wèn)題，“為什么IGBT的傳輸特性曲線不是從0V開始，而MOSFET的是從0V開始”。

膝電壓這個(gè)概念很陌生，但我們工作中卻看到了它無(wú)數(shù)次（傳輸特性曲線），今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！