浅谈IGBT的闩锁效应

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。