大电流IGBT芯片的研究

摘要

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为发展较为成熟的电力电子器件之一，被广泛应用于大功率电机传动、机车牵引和高压输电等领域。而这些领域恰恰是重要物资生产、交通运输和能源利用等要害部门，考虑到IGBT长期高压大电流的工作模式，以及发生问题所带来的严重后果，IGBT的研究主要包括两方面:一方面为追求通态压降和开关损耗的折衷优化，另一方面为调高器件的可靠性。而软穿通型IGBT(SPT IGBT)不仅具有较低的导通损耗和通态压降，而且具有高短路电流承受能力和极佳的关断可靠性。
　　平面型绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)由于它的低通态压降和高输入阻抗特性而广泛应用于功率集成电路中。但是由于在关断过程中电子和空穴只能通过复合方式消失，LIGBT的关断时间并不理想。阳极短路LIGBT(SA-LIGBT)通过在集电极引入N型区域给电子提供了一条有效通路，使得电子可以直接被抽取，从而大大降低了器件的关断时间。虽然SA-LIGBT可以得到较为理想的通态压降和关断时间，但是它在通态条件下存在逆阻现象，这大大增加了器件的损耗，降低了系统的可靠性。
　　针对IGBT和SA-LIGBT的这些问题，本论文分别对IGBT器件的结构和可靠性以及SA-LIGBT的逆阻效应进行了仿真研究和优化设计:
　　1、设计了3300V，50A的软穿通型IGBT芯片(SPT IGBT)，利用数值仿真软件Medici对其动态失效特性进行了详细的仿真研究，并且利用局域载流子寿命控制的方法对器件进行优化。仿真结果表明:优化后的器件关断时间由8308.5ns降为2505.63ns，关断速度提升了3.3倍。
　　2、提出了一种带有P型柱体的三维阳极短路LIGBT结构，利用数值仿真软件Crosslight-APSYS仿真研究了P型柱体的高度、宽度和长度对逆阻现象的影响，以及对器件通态压降和关断速度的影响。研究结果表明:当P型柱体的高度为1μm，宽度为12μm，长度为20μm时，器件的逆阻现象完全消失。新结构LIGBT的通态压降为1.61V，关断时间为110.3ns。而具有相同结构参数的传统LIGBT的通态压降为1.56V，关断时间为2.33μs。所提的新结构在通态压降基本不变的情况下，开关速度增加了23倍。

目录

声明

论文说明

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 IGBT概述

1．1．2 软穿通IGBT(SPT IGBT)的介绍及发展现状

1．1．3 平面型IGBT(LIGBT)的介绍及发展现状

1．2 本论文的主要工作和创新点

1．2．1 本论文主要工作

1．2．2 本论文创新点

1．3 本论文组织结构

第2章 3300V／50A SPT IGBT的设计及动态失效特性研究

2．1 仿真原理和方案

2．2 仿真软件介绍

2．3 工艺结构仿真

2．4 3300V SPT IGBT的静态特性仿真

2．4．1 3300V SPT IGBT的器件尺寸

2．4．2 3300V SPT IGBT的正向阻断特性

2．4．3 3300V SPT IGBT的阈值电压特性

2．4．4 3300V SPT IGBT的电流特性

2．4．5 本节小结

2．5 3300V SPT IGBT的电容特性仿真

2．6 3300V SPT IGBT的开关特性仿真

2．6．1 仿真模型

2．6．2 仿真结果和分析

2．6．3 本节小结

2．7 3300V SPT IGBT的短路特性仿真

2．7．1 短路失效概述

2．7．2 短路特性仿真

2．7．3 本节小结

2．8 3300V SPT IGBT的动态雪崩特性仿真

2．8．1 仿真模型

2．8．2 仿真结果和分析

2．8．3 本节小结

2．9 3300V SPT IGBT的闩锁特性仿真

2．9．1 闩锁效应概述

2．9．2 P阱区的掺杂浓度对闩锁特性的影响

2．9．3 环境温度对闩锁特性的影响

2．9．4 工作电流对闩锁特性的影响

2．9．5 本节小结

2．10 器件优化设计

2．10．1 局域载流子寿命控制概述

2．10．2 仿真结果和分析

2．10．3 本节小结

2．11 本章小结

第3章 带有P型柱体的三维SA-LIGBT新型结构仿真

3．1 仿真原理和方案

3．2 仿真软件介绍

3．3 器件结构和理论分析

3．4 仿真结果和讨论

3．4．1 器件仿真参数

3．4．2 导通状态

3．4．3 关断状态

3．5 本章小结

第4章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

硕士期间参与的项目与发表的论文

致谢