一种新型RC-LIGBT的研究
发布时间：2021-08-01 15:40
随着功率半导体器件的不断发展,绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）已经成为当前应用最广泛的功率器件之一。而基于绝缘体上硅（SOI）技术的逆导型横向绝缘栅双极晶体管（RC-LIGBT）由于其具有的双向导通特性以及低导通压降、高输入阻抗、低封装成本等优点,在功率集成电路领域中的应用也越来越广泛。传统RC-LIGBT器件通过一个与阳极P+区短接的N+区,将用以续流的二极管与本身无法反向导通的LIGBT器件集成,实现了其反向导通的能力。然而这种器件也因此在正向导通状态下会发生电压折回现象,其正向导通压降将会增加,同时还可能使器件进入不可预期的状态。如何解决电压折回现象是RC-LIGBT的核心问题之一。本文以RC-LIGBT为研究课题,分析了其工作原理,重点研究了电压折回现象的产生机理以及解决该现象的方法,并在此基础上提出了一些新型RC-LIGBT结构,能够有效的消除电压折回现象的影响。本文主要内容如下:1.回顾了功率器件以及IGBT的发展和变革,并阐述了RC-LIGBT器件的发展现状;2.介...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同功率器件的功率与频率使用范围示意图[16]
电子科技大学硕士学位论文6到衬底带来的衬底辅助耗尽效应（SubstrateAssistedDepletion，SAD）的影响，衬底的存在会耗尽一部分P柱或N柱的载流子，使得超结的电荷平衡难以达到，严重影响器件的耐压[28]。近年来随着绝缘体上硅技术（SiliconOnInsulator，SOI）的不断发展，研究人员将LIGBT元胞置于埋氧层上，其基本结构如图1-4(b)所示，利用埋氧层优良的隔离特性，将衬底与漂移区隔离开，有效的阻断了载流子泄漏的路径，显著消除了漏电流的影响，从而大大提升了器件的可靠性与可集成度。基于SOI技术的LIGBT如今已经被广泛应用于汽车电子，智能电网等领域中，具有广阔的发展前景。P-SubstrateN-DriftP-BaseCathodeGateAnodeN+P+P+N-BufferP-SubstrateN-DriftP-BaseCathodeGateAnodeBuriedOxide(BOX)N+P+P+N-Buffer（a）（b）图1-4LIGBT结构示意图。（a）最初提出的LIGBT；（b）SOI-LIGBT1.3RC-LIGBT发展概述图1-5首个将二极管集成在器件内部的IGBT结构示意图[29]由于传统的IGBT在反向状态下无法导通，而在实际集成电路应用比如逆变器中IGBT一般存在正向导通、正向耐压以及反向导通三个工作状态，所以需要反并联一个二级管用作续流保护，这种二极管被称为续流二极管（FreeWheelingDiode，
第二章RC-LIGBT器件理论分析19SOIBOXSubstrateEyEBOXESOITBOXTSOI图2-7SOI横向功率器件纵向电场近似分布示意图根据式（2-9）可知如果SOI层内硅的临界击穿电场与埋氧层的峰值电场均为常数，是可以直接通过增加埋氧层的厚度以及SOI层的厚度来增加器件的纵向击穿电压的，但是过厚的埋氧层以及SOI层会使得器件的自热效应显著，严重影响器件性能。基于工艺以及器件性能的考虑，一般的埋氧层厚度不超过4m，SOI层厚度不超过20m，因此这种提升厚度以提升耐压的方法具有一定的局限性。除此之外，根据Merchant等人通过分析得到的SOI器件击穿电压与SOI层厚度以及埋氧层厚度关系的理论曲线[54]，如图2-8所示，随着埋氧层厚度不断增大，器件的击穿电压确实得到了提升，但是当SOI层厚度约小于2m时，随着SOI层厚度的减小，器件击穿电压反而急剧增大，当SOI层厚度大于2m时，随着SOI层厚度的增大器件耐压才不断增大，曲线呈现出抛物线型。这是因为当SOI层厚度很薄时，SOI层内硅的临界击穿电场强度不再是恒定值，而会随着SOI层厚度减小而急剧增大，从而增大了器件的耐压。图2-8埋氧层厚度和SOI层厚度与击穿电压的关系曲线[54]
【参考文献】：
期刊论文
[1]功率半导体迎来新一轮发展机遇[J]. 半导体信息. 2019(02)
[2]电力电子新器件及其应用技术[J]. 王峰瀛. 工程技术研究. 2018(04)
[3]电力电子技术的应用及发展前景探究[J]. 田海涛,梁建宾. 电子测试. 2013(14)
[4]我国电力电子技术应用系统发展现状探究[J]. 柳建峰. 数字技术与应用. 2013(05)
[5]功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望[J]. 孙伟锋,张波,肖胜安,苏巍,成建兵. 中国科学:信息科学. 2012(12)
[6]电力电子器件产业发展战略研究[J]. 肖向锋. 电力电子. 2011(01)
[7]大功率半导体器件的发展与展望[J]. 钱照明,盛况. 大功率变流技术. 2010(01)
[8]超结器件[J]. 陈星弼. 电力电子技术. 2008(12)
[9]基于介质电场增强理论的SOI横向高压器件与耐压模型[J]. 罗小蓉,李肇基. 电子元件与材料. 2008(05)
[10]p-n+结有场板时表面电场分布的简单表示式[J]. 陈星弼. 电子学报. 1986(01)
博士论文
[1]SOI横向高压器件纵向耐压理论与新结构[D]. 胡盛东.电子科技大学 2010
硕士论文
[1]具有部分超结的SOI横向高压器件研究[D]. 詹珍雅.电子科技大学 2018
[2]一种超结SOI LIGBT器件研究[D]. 余洋.电子科技大学 2018
[3]550V U型沟道厚膜SOI-LIGBT器件特性研究与优化[D]. 陈猛.东南大学 2017
[4]1700V RC-IGBT的设计与仿真分析[D]. 陈楚雄.电子科技大学 2017
[5]1200V逆导型Trench FS IGBT的设计[D]. 郭绪阳.电子科技大学 2016
本文编号：3315791
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同功率器件的功率与频率使用范围示意图[16]
电子科技大学硕士学位论文6到衬底带来的衬底辅助耗尽效应（SubstrateAssistedDepletion，SAD）的影响，衬底的存在会耗尽一部分P柱或N柱的载流子，使得超结的电荷平衡难以达到，严重影响器件的耐压[28]。近年来随着绝缘体上硅技术（SiliconOnInsulator，SOI）的不断发展，研究人员将LIGBT元胞置于埋氧层上，其基本结构如图1-4(b)所示，利用埋氧层优良的隔离特性，将衬底与漂移区隔离开，有效的阻断了载流子泄漏的路径，显著消除了漏电流的影响，从而大大提升了器件的可靠性与可集成度。基于SOI技术的LIGBT如今已经被广泛应用于汽车电子，智能电网等领域中，具有广阔的发展前景。P-SubstrateN-DriftP-BaseCathodeGateAnodeN+P+P+N-BufferP-SubstrateN-DriftP-BaseCathodeGateAnodeBuriedOxide(BOX)N+P+P+N-Buffer（a）（b）图1-4LIGBT结构示意图。（a）最初提出的LIGBT；（b）SOI-LIGBT1.3RC-LIGBT发展概述图1-5首个将二极管集成在器件内部的IGBT结构示意图[29]由于传统的IGBT在反向状态下无法导通，而在实际集成电路应用比如逆变器中IGBT一般存在正向导通、正向耐压以及反向导通三个工作状态，所以需要反并联一个二级管用作续流保护，这种二极管被称为续流二极管（FreeWheelingDiode，
第二章RC-LIGBT器件理论分析19SOIBOXSubstrateEyEBOXESOITBOXTSOI图2-7SOI横向功率器件纵向电场近似分布示意图根据式（2-9）可知如果SOI层内硅的临界击穿电场与埋氧层的峰值电场均为常数，是可以直接通过增加埋氧层的厚度以及SOI层的厚度来增加器件的纵向击穿电压的，但是过厚的埋氧层以及SOI层会使得器件的自热效应显著，严重影响器件性能。基于工艺以及器件性能的考虑，一般的埋氧层厚度不超过4m，SOI层厚度不超过20m，因此这种提升厚度以提升耐压的方法具有一定的局限性。除此之外，根据Merchant等人通过分析得到的SOI器件击穿电压与SOI层厚度以及埋氧层厚度关系的理论曲线[54]，如图2-8所示，随着埋氧层厚度不断增大，器件的击穿电压确实得到了提升，但是当SOI层厚度约小于2m时，随着SOI层厚度的减小，器件击穿电压反而急剧增大，当SOI层厚度大于2m时，随着SOI层厚度的增大器件耐压才不断增大，曲线呈现出抛物线型。这是因为当SOI层厚度很薄时，SOI层内硅的临界击穿电场强度不再是恒定值，而会随着SOI层厚度减小而急剧增大，从而增大了器件的耐压。图2-8埋氧层厚度和SOI层厚度与击穿电压的关系曲线[54]
【参考文献】：
期刊论文
[1]功率半导体迎来新一轮发展机遇[J]. 半导体信息. 2019(02)
[2]电力电子新器件及其应用技术[J]. 王峰瀛. 工程技术研究. 2018(04)
[3]电力电子技术的应用及发展前景探究[J]. 田海涛,梁建宾. 电子测试. 2013(14)
[4]我国电力电子技术应用系统发展现状探究[J]. 柳建峰. 数字技术与应用. 2013(05)
[5]功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望[J]. 孙伟锋,张波,肖胜安,苏巍,成建兵. 中国科学:信息科学. 2012(12)
[6]电力电子器件产业发展战略研究[J]. 肖向锋. 电力电子. 2011(01)
[7]大功率半导体器件的发展与展望[J]. 钱照明,盛况. 大功率变流技术. 2010(01)
[8]超结器件[J]. 陈星弼. 电力电子技术. 2008(12)
[9]基于介质电场增强理论的SOI横向高压器件与耐压模型[J]. 罗小蓉,李肇基. 电子元件与材料. 2008(05)
[10]p-n+结有场板时表面电场分布的简单表示式[J]. 陈星弼. 电子学报. 1986(01)
博士论文
[1]SOI横向高压器件纵向耐压理论与新结构[D]. 胡盛东.电子科技大学 2010
硕士论文
[1]具有部分超结的SOI横向高压器件研究[D]. 詹珍雅.电子科技大学 2018
[2]一种超结SOI LIGBT器件研究[D]. 余洋.电子科技大学 2018
[3]550V U型沟道厚膜SOI-LIGBT器件特性研究与优化[D]. 陈猛.东南大学 2017
[4]1700V RC-IGBT的设计与仿真分析[D]. 陈楚雄.电子科技大学 2017
[5]1200V逆导型Trench FS IGBT的设计[D]. 郭绪阳.电子科技大学 2016
本文编号：3315791
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