Short - Circuit 시에 IGBT 의 동작

* 본글의 내용은 논문 본문의 내용을 참조하였습니다 .

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안녕하세요. 저는 전기공학과 학부연구생이고 논문리뷰하는 내용 블로그에 정리하면서 생각도 정리하고 겸사겸사 기록도 남겨놓으려는 의도로 리뷰 작성했습니다.

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논문의 모든 내용을 요약정리 하기 보다는(저작권문제) 제가 보면서 파악한 부분들을 간단하게나마 정리하여 논문을 소개하는 형식으로 리뷰하겠습니다.

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[출처] M. Trivedi and K. Shenai, "Investigation of the short-circuit performance of an IGBT," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 45, no. 1, pp. 313-320, Jan. 1998, doi: 10.1109/16.658847.

 

 

 

 

<개요>

 igbt 에서의 short circuit(단락) 이란, gate voltage 를 더이상 가하지 않음에도(즉, turn-off 했음에도) 모종의 이유로 전류가 계속해서 흐르는 현상을 뜻합니다. 이러한 현상이 지속되면 소자는 파괴되기 때문에 이러한 현상이 잘 일어나지 않도록 설계해야하고 또한 일어난다면 소자가 가능한 오랜시간동안 버틸 수 있어야 됩니다.  본 논문에서는 단락시 IGBT 의 동작을 관찰하였습니다. 일반적으로 많은 연구에서는 이러한 short-circuit 의 원인을 latch up 현상에 찾습니다. 그러나 본 논문에서는 short-circuit 의 원인이 self-heating 현상에 의해 발생하는 impactionization 때문이라 말합니다.

 

* latch up 이란

latch up 현상은 pnpn 사이리스터의 동작을 통해서 설명할수 있습니다. 보통 energy band 는 가해진 전계에 의해서 변화하고 carrier(hole, electron) 가 발생시키는 전계는 아주 미미하여 크게 영향을 미치지 않습니다. 그런데 carrier 가 많은 양 축적된다면 무시할 수 없어지게 됩니다.

pnpn 사이리스터의 동작은 먼저 양극과 음극에서 +, - 가 각각 주입됩니다. 이 때 p-n 그리고 n-p 의 bandgap 에 의해 carrier 는 흐르지 못하고 축적됩니다. 그리고 축적된 캐리어는 쌓여서 강한 전계를 발생시켜 band bending 을 일으킵니다. 이후에는 carrier 가 낮아진 band gap 을 넘어 이동하게 되고 결국엔 pnpn 의 band gap 점점 수평에 가까워져 도체에 가까워지게 됩니다. 

pnpn 사이리스터

band bending 이 일어나는 과정

 

* self heating 이란

말그대로 소자 스스로 열을 발생시키는 현상입니다. 이러한 현상은 carrier 가 소자를 이동 할 때 소자 내 원자들과 충돌하면서 일어나는 열에 의한 것입니다. 결국 소자 내 저항 때문에 열이 발생하는 것입니다.

 

* impact ionization 이란

carrier 가 depletion 영역에서 에너지를 받아 전자-정공 쌍을 생성하는 현상입니다. avalanche breakdown 현상에서 일어나는 것과 같습니다. 

 

 

 

<본문>

 본 논문에서의 IGBT 는 단락된 후 10μs 이내에 소자가 정상적으로 turn-off 된다면 정상적으로 작동 할 수 있습니다. 그러나 10μs 이내에 turn-off 되지 못한다면 전류는 비정상적으로 높아지게 되고 결국 소자는 망가지게 됩니다. 이때에 비정상적으로 증가하는 전류는 impactionization 에 의한 것입니다. 단락 시 self-heating 현상에 의해 소자의 저항이 높아지게 되고 높아진 저항에 의해 carrier 와 원자의 충돌이 잦아지게 되면서 impactionization rate 가 계속해서 상승하게 되면서 결국에 breakdown 됩니다. 여기서 impactionization 이 일어나는 곳은 주로 depletion 영역인데 높아진 bandgap 을 carrier 가 이동하면서 에너지를 받고 전자-정공 쌍을 만들어 내는 avalanche breakdown 이 일어나는 것으로 볼 수 있습니다.

 

이상으로 이번 논문 소개 및 리뷰를 마치겠습니다.

 

더 자세한 내용은 본 논문에서 확인 할 수 있습니다.

 

[출처] M. Trivedi and K. Shenai, "Investigation of the short-circuit performance of an IGBT," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 45, no. 1, pp. 313-320, Jan. 1998, doi: 10.1109/16.658847.