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具有晶格加热的 IGBT 瞬态闩锁效应模拟

需求： S-Pisces / Giga
最低版本： Atlas 5.28.1.R

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概述

在本示例中，模拟了一个 IGBT 器件在非等温条件下的闩锁（latchup）现象。闩锁是在 瞬态（开关）模式 下产生的。在该器件发生闩锁时，电流非常大，并会产生显著的 局部加热效应。因此，必须将 晶格温度和热流方程 纳入求解。

本示例展示了以下内容：

• 使用 Atlas 定义 IGBT 器件结构
• 如何启用 Giga 的非等温（non-isothermal）模拟
• IGBT 在 300 V 集电极电压下的稳态解
• 通过栅极瞬态电压扫描触发闩锁
• 闩锁过程的瞬态仿真分析

器件结构定义

Atlas 仿真首先从 定义 IGBT 结构 开始：

• 首先定义一个 精细的矩形网格
• 使用 region 语句为各个区域指定材料
• 接着定义电极和掺杂分布
• 还可以进一步修改材料、电极以及载流子的物理特性

其中：

• material 语句用于定义半导体中电子和空穴的 复合寿命
• contact 语句用于定义 多晶硅电极的功函数，在本例中为 重掺杂 n 型多晶硅

至此，IGBT 的结构定义完成。

物理模型设置

在任何 Atlas 器件仿真中，必须使用 model 语句启用 物理输运模型。在本例中，这些模型反映了对 IGBT 器件重要的物理效应，包括：

• analytic：解析型、浓度相关迁移率模型
• fldmob：横向电场相关迁移率模型
• surfmob：表面迁移率退化模型
• srh：Shockley–Read–Hall 复合模型
• auger：考虑高注入条件下的 Auger 复合

稳态解计算（300 V 集电极偏压）

接下来计算 IGBT 的 稳态特性：

• 与大多数 Atlas 仿真一样，首先使用：

1

solve init

在 零偏压 下获得初始解，为数值求解器提供一个良好的初始点。

• 随后的 solve 语句分多个阶段将 集电极电压逐步升高至 300 V
• 每一步都使用前一步的解作为初始猜测
• 如果某个电极偏压没有指定，则保持其 上一次的值（此处为 0 V）

当 300 V 下的解收敛后，将该解 保存，作为后续 瞬态闩锁仿真 的初始条件。

非等温瞬态仿真的附加物理项

为进行 IGBT 的瞬态闩锁模拟，需要额外加入三项：

1. 热接触（thermal contacts）
2. 热流（heat flow）
3. 碰撞电离（impact ionization）

（1）热边界条件

• 非等温仿真中，热边界条件至关重要

• 对 IGBT，在 thermcontact 语句中规定：

  集电极接触处保持恒定温度

• 其余所有接触和表面 假定为热绝缘

（2）热流与晶格温度

• 在 model 语句中加入：

1

lat.temp

用于启用 晶格温度模型：

这意味着在求解半导体方程的同时，还要联立求解 热传导方程，并且所有物理参数都将变为 温度相关。

（3）碰撞电离

• 在 IGBT 的瞬态闩锁过程中，碰撞电离非常重要
• 使用：

1

impact selb

启用 Selberherr 碰撞电离模型

瞬态栅极触发闩锁仿真

现在开始进行 IGBT 栅极瞬态过程仿真：

• 载入之前在 300 V 集电极偏压 下保存的稳态解作为初始解
• 使用 output 语句增加需要输出的物理量

栅极电压设置：

• 栅压从 0 V 在 100 ns 内线性上升到 10 V，以触发 IGBT 闩锁
• 然后 保持 10 V 不变，直到仿真时间达到 1 µs
• 这些条件通过 solve 语句设置

仿真结果将被保存到 log 文件 中。

结果分析

使用 TonyPlot：

• 可以绘制：

  • 集电极电流 vs 时间
  • 器件内最大温度 vs 时间

• 从而清楚观察 闩锁发生过程

此外：

• 在最终时刻的 器件结构与解 会被保存
• 所有物理量都可以通过 TonyPlot 进行可视化分析

如何运行该示例

在 DeckBuild 中：

1. 点击 Examples → Load，复制输入文件到当前工作目录
2. 点击 Run 运行该示例