什么是IGBT的“膝電壓”？

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

01、Knee電壓

PN結作為半導體器件最基礎的單元，可以說是隨處可見，在詳細分解每個類型半導體器件時都從它開始。我們平常很多時候都從整體來看待一個器件，比如IGBT的傳輸特性曲線，

可以看到在IGBT的導通壓降上有一個零點幾伏的電壓(如紅色部分)，這個電壓被稱為膝電壓。

下面我們就來從IGBT導通模型來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MOSFET在其線性區(qū)域內與P-i-N整流串聯(lián)工作，這兩個部分的電壓表達式如下，

p是細胞間距，IC和JC集電極電流及其密度，LCH是反轉通道長度，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被使用，芯片的互連技術帶來了引線電阻，從而產(chǎn)生相應的電壓，所以在IGBT器件中導通電壓還需要考慮引線帶來的壓降，所以在很對規(guī)格書中導通電阻那一項會備注是否包含引線電阻帶來的壓降。所以IGBT的導通壓降由三個部分組成，即通過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PiN部分的電壓降在導通特性中形成了一個“膝蓋”(是不是蠻形象的），所以此電壓被稱為"knee電壓"。

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

02、小結

今天主要聊了什么是IGBT的膝電壓，同時也可以說明另一個小問題，“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”。

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