【技术分享】详解 IGBT 的闩锁(Lanch-up)效应

闩锁(Lanch-up)效应，一般我们也可以称之为擎住效应，是由于 IGBT 超安全工作区域而导致的电流不可控现象，当然，闩锁效应更多的是决定于 IGBT 芯片本身的构造。实际工作中我们可能很少听到一种失效率，闩锁失效，今天我们就来聊一聊什么是闩锁效应~

 

关于 IGBT 的构造我们这里不再赘述，集 MOS 和 BJT 于一身的"男人"，一般我们认为 IGBT 的理想等效电路如下图所示

 

 

上图直观地显示了 IGBT 的组成，是对 PNP 双极型晶体管和功率 MOSFET 进行达林顿连接后形成的单片型 Bi-MOS 晶体管。

故在 G-E 之间外加正向电压使 MOS 管导通时，PNP 晶体管的基极 - 集电极之间就连上了低电阻，从而使 PNP 晶体管处于导通状态。此后，使 G-E 之间的电压为零或者负压时，首先 MOS 管处于断路状态，PNP 晶体管的基极电流被切断，从而使 IGBT 关断。所以，IGBT 和 MOS 一样，都是电压控制型器件。

 

那闩锁效应的产生是在哪里呢？

其实 IGBT 的实际等效电路与上面我们讲到的理想等效电路略有不同，还需要考虑其内部寄生的内容，如下图

 

 

从上图我们可以看处，实际等效电路是由可控硅和 MOS 构成的。内部存在一个寄生的可控硅，在 NPN 晶体管的基极和发射极之间并有一个体区扩展电阻 Rs，P 型体内的横向空穴电流会在 Rs 上产生一定的电压降，对于 NPN 基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流分为内，这个正偏电压不会很大，对于 NPN 晶体管起不了什么作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压则会大到足以使 NPN 晶体管开通，进而使得 NPN 和 PNP 晶体管处于饱和状态。此时，寄生晶闸管导通，门极则会失去其原本的控制作用，形成自锁现象，这就是我们所说的闩锁效应，也就是擎住效应，准确的应该说是静态擎住效应。IGBT 发生擎住效应后，集电极的电流增大，产生过高的功耗，从而导致器件失效。

 

动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快(di/dt 大)，dv/dt 很大，引起的较大位移电流，流过 Rs,产生足以使 NPN 晶体管导通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管的自锁。

 

在 IGBT 中，在有过电流流过时，我们通过控制门极来阻断过电流，从而进行保护。但是，一旦可控硅触发，由于可控硅不会由于门极的阻断信号等而进行自动消弧，因此此时的 IGBT 不可能关断，最终导致 IGBT 因过电流而损坏。

 

那么我们可以怎么样来防止或者说是减小擎住效应呢？一般有以下几种技术：

 

①采用难以产生擎住效应的构造，也就是减小体区扩展电阻 Rs；

 

②通过优化 n 缓冲层的厚度和掺杂来控制 PNP 晶体管的 hFE；

 

③通过导入降低寿命的手段来控制 PNP 晶体管的 hFE；

 

所以，关于 IGBT 的实际应用，我们是不允许其超安全工作区域的，针对这个，我们采用了很多保护手段。所以，每个元器件，有的时候我们考虑的只是我们需要观察的，但是其背后的故事则会告诉我们，为什么我们应该这样去考量。

从原材料到成品 IGBT，这个过程经历了太多环节，每个环节都很重要，这才有了满足我们需求的各类元器件。