上一章我們對IGBT穩態的分析中,在IGBT的大注入條件下,電子和空穴的運動相互影響,這個影響關系需要用雙極性擴散系數來描述。
電子電流和空穴電流的關斷瞬態過程不同,因為IGBT關斷過程首先是將其MOS部分關斷,電子電流被掐斷,之后流經BJT部分的空穴電流才逐漸關斷。
因此為了后續加深對穩態和瞬態過程物理意義的理解,這里有必要在求解(6-2)之前,對雙極性擴散系數再作理解,分別將電子電流
和空穴電流
與
建立起關系。
在《IGBT中的若干PN結》的“PIN結構”中,我們描述了電子和空穴的相互影響,并給出了表達式(6-3) ,當時沒有對其作推導,這里有必要做一個補充。
在《微觀電流》一章中,我們講解了電子電流與空穴電流均可表達為漂移電流和擴散電流之和,且總電流為電子電流與空穴電流之和,即
將(6-4)電場提取出來,并分別代入電子電流和空穴電流表達式,可以得到
、
與
的關系式,如下:
(6-5)右邊第二項即為雙極性擴散系數表達式,說明電子電流或者空穴電流的變化會引起總電流的變化,反之總電流的變化也會引起電子電流和空穴電流的變化,即電子和空穴的運動相互影響。
令, 即電子和空穴的遷移率之比,并根據電中性原則,令
, (6-5)可以簡化如下:
由此,我們就建立了電子電流和空穴電流
與空穴空間分布
之間的關系,當得知多余載流子濃度分布
之后,就可以根據(6-6)分別求出不同位置的電子及空穴電流。
這里以《IGBT的物理結構模型》中“PIN&MOS模型”的PIN1和PIN2為例,其在base區域的載流子濃度分布不同,如下左圖所示,相應的電子電流和空穴電流在不同位置的大小也不相同,如下右圖所示。
可以看出來,越靠近BJT集電極的位置(),電子電流占比越大。
后續關斷瞬態分析中,可以進一步看出這個差異以及關斷過程中總電流變化所引起的電子電流和空穴電流
變化。
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