具有空穴阻挡层IGBT的设计

摘要

绝缘栅双极性晶体管（IGBT）具有高耐压、低导通压降等突出的优点，可广泛应用在高压以及中压电力电子系统。随着IGBT新一代产品的推出，IGBT不仅在消费类电子中逐步取代BJT和MOSFET，且在工业应用中逐步取代MOSFET和GTR（Giant Transistor，巨型晶体管）。因此，对IGBT展开研究具有重要的意义。
　　本文针对IGBT正向导通压降与器件耐压的矛盾关系，提出了一种具有空穴阻挡层的IGBT（Hole-blocking IGBT，简称HBIGBT）新结构。主要内容如下：
　　（1）介绍了CSTBT的基本结构和原理，并通过仿真对比分析CSTBT、P-i-N二极管和传统Trench IGBT的静态参数以及动态参数。CSTBT的引入在很大程度上折衷了正向导通压降与耐压的矛盾关系，但是CSTBT的耐压受N型阻挡层的影响较大，因此需要对此结构进行改进。
　　（2）基于MOS/P-i-N模型，在CSTBT的基础上提出了一种名为HBIGBT的新结构。HBIGBT的结构是在P-body区和N-漂移区之间引入一层二氧化硅来替代CSTBT中的N型阻挡层。HBIGBT中的二氧化硅层比CSTBT中的N型阻挡层存储载流子的能力更强，所以 HBIGBT拥有较低的正向导通压降。同时，较薄二氧化硅阻挡层在一定程度上增加了器件的耐压。通过仿真优化分析得到了耐压为1639V，导通压降为1.59V，关断时间为1735ns的HBIGBT。在HBIGBT的基础上，对HBIGBT提出正面改进结构（即使用间断性二氧化硅阻挡层），内部改进结构（即在N-漂移区底部增加N型阻挡层）和针对关断特性的背面改进结构（即双阳极短路IGBT）。使得HBIGBT拥有了优于CSTBT的静态参数以及动态参数，为高压IGBT的设计提供了参考。
　　（3）针对IGBT的高压特性，结合场限环与场板技术，设计耐压为1200V的结终端，并通过仿真得到了耐压为1470V的HBIGBT终端。在器件元胞结构和工艺流程的基础上，绘制了HBIGBT的版图，为器件的制造实现提供了参考。

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第一章 绪 论

1.1 IGBT的发展概况

1.2 改进IGBT性能的新技术

1.3 本文主要工作

第二章Planer IGBT和Trench-IGBT的理论分析

2.1 Planer IGBT的理论分析

2.1.1 IGBT的结构与工作原理

2.1.2 IGBT的正向导通特性

2.1.3 IGBT的闩锁效应

2.1.4 IGBT的关断特性

2.2 Trench IGBT的理论分析

2.2.1 Trench IGBT的结构与工作原理

2.2.2 Trench IGBT的闩锁特性

2.3 本章小结

第三章 HBIGBT的原理及仿真分析

3.1 CSTBT的原理及仿真分析

3.1.1 CSTBT的结构及原理分析

3.1.2 CSTBT的仿真分析

3.2 HBIGBT的原理及仿真分析

3.2.1 HBIGBT的结构与原理分析

3.2.2 HBIGBT的仿真分析

3.2.3 HBIGBT的正面改进结构

3.2.4 HBIGBT的内部改进结构

3.2.5 HBIGBT的背面改进结构

3.3 本章小结

第四章1200V HBIGBT的设计

4.1 器件材料的选取

4.2 HBIGBT元胞工艺设计

4.3 1200V HBIGBT结终端的设计

4.3.1 结终端的理论分析

4.3.2 1200V HBIGBT终端的设计

4.4 HBIGBT版图的设计

4.5 本章小结

第五章 结 论

5.1 本文的主要工作

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果