逆阻型IGBT机理与新结构研究

发布时间：2020-03-28 19:23

【摘要】：逆阻型(Reverse Blocking,RB)IGBT具有双向耐压能力,在T型逆变器、矩阵逆变器应用中可降低系统元件数、损耗和冗余度,有效提高系统电能转换效率和可靠性。NPT IGBT在长的漂移区下能实现双向阻断能力,但器件正向导通压降(V_(on))和关断损耗(E_(off))大。FS IGBT由于N-buffer的存在,能改善器件V_(on)-E_(off)折中特性,但不具备对称双向阻断能力。为解决以上问题,本文提出两种RB-IGBT器件。1.提出一种具有短路集电极场板的RB-IGBT。器件主要结构特征为:短路集电极场板(Shorted Collector Field Plate,SCFP);在集电极区的非连续高掺杂N2层;发射极端高掺杂N1层。正向阻断时,发射极端槽辅助耗尽作用使耗尽区在N1下方横向和纵向扩展,提高漂移区电场,并有效屏蔽高场对反偏主结J1的影响,避免J1提前击穿,实现高正向阻断电压(Forward Breakdown Voltage,BV_F)。反向阻断时,SCFP的辅助耗尽作用促使耗尽区在N2之间横向和纵向扩展,降低J2高电场的同时抬升漂移区中电场,最终电场被发射极端槽和N1共同截止,实现高反向阻断电压(Reverse Breakdown Voltage,BV_R)。高浓度N1可作为载流子存储层,提升漂移区载流子浓度,器件实现低的V_(on)。关断过程中,电子通过SCPF在N2中形成的低电阻通道被抽取,提高关断速度降低E_(off),获得更好的V_(on)-E_(off)折中特性。相比NPT RB-IGBT,E_(off)降低了67.2%,相比BEFE RB-IGBT,E_(off)降低了49%。2.提出一种具有集电极辅助槽栅的RB-IGBT。器件主要结构特征为:发射极端引入分裂槽栅和高浓度N1层,集电极端引入集电极辅助槽栅(Collector Assisted trench Gate,CAG)。正向导通时,CAG相对集电极接低电位,增强空穴注入效率,N1同时起载流子存储作用,降低器件V_(on)。正向阻断时,CAG上电压值为正,在槽壁形成电子积累层,等效为N-buffer层,电场被有效截止,提高器件BV_F。与FS IGBT相比,反向阻断时,BV_R不再受限于高浓度N-buffer,且电场能被N1和发射极端槽截止,器件BV_R高。器件关断时,分裂栅结构能缩短器件关断延迟时间,CAG上的电位提前切换为正值使得槽壁周围产生电子积累层,形成抽取电子的低阻通道,加快器件关断速度并降低器件关断损耗。通过仿真验证,器件的V_(on)和E_(off)均远小于NPT RB-IGBT,相比于SJ SCT RB-IGBT,E_(off)降低了52%,相比BEFE RB-IGBT,E_(off)降低了85%。
【图文】：

014-2020全球半导体市场预测

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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN322.8

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本文编号：2604806