智能功率驱动芯片用SOI-LIGBT关断特性的研究与优化

发布时间：2017-07-27 11:15

  本文关键词：智能功率驱动芯片用SOI-LIGBT关断特性的研究与优化

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【摘要】：智能功率驱动芯片是一种将驱动电路、功率器件、传感器及各类保护电路集成在一起的功率芯片,特别适用于各类电机及逆变型电源,具有高效、节能、智慧的特点。横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor, LIGBT)作为智能功率驱动芯片中的核心器件,承担着低压到高压、低功率到高功率之间的转换功能。作为开关器件,LIGBT需要具有快速开关的特点。在保持其余电学参数不退化,不引入额外性能损耗的前提下提高器件的关断速率是目前研究的热点。本文在厚膜绝缘衬底硅(Silicon On Insulator, SOI)工艺平台的基础上,从LIGBT器件的关断过程入手,详细分析了LIGBT器件在感性负载条件下的关断机理。接着基于仿真软件再现了LIGBT器件关断的详细过程,包括关断前载流子的分布、关断过程中载流子的运动路径、关断后期载流子的分布及复合过程等。然后研究了几种现有的具有快速关断特性的LIGBT器件结构,分析了其各自的优缺点。在此基础上,提出了一种具有沟槽隔离阳极短路结构的厚膜SOI-LIGBT器件。该器件的集电极区域增加了分段的沟槽隔离结构,并增加了用于在关断过程中抽取电子载流子的N+集电极结构以及进一步提升通态电流密度的P+集电极结构。通过为载流子提供特殊的排空通道,该结构可在保持器件整体耐压、阈值电压、线性电流密度等参数不退化的前提下,提高器件的关断速率。最终的测试结果显示,论文提出的厚膜SOI-LIGBT器件在保持其余电学参数不退化的前提下,关断时间从572ns缩短到189ns,降低了66.96%。
【关键词】：横向绝缘栅双极型晶体管 厚膜绝缘衬底硅 快关断 沟槽隔离 阳极短路
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 智能功率驱动芯片概述10-12
• 1.1.1 智能功率驱动芯片介绍10-11
• 1.1.2 LIGBT器件在智能功率驱动芯片中的应用11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 LIGBT关断时间国内外研究现状12-16
• 1.2.2 研究现状总结与发展趋势16
• 1.3 论文研究内容及意义16-18
• 1.3.1 研究内容16-17
• 1.3.2 设计指标17-18
• 1.4 论文组织结构18-20
• 第二章 厚膜SOI-LIGBT器件工作原理20-34
• 2.1 结构特点与优势20-22
• 2.1.1 厚膜SOI-LIGBT器件的结构特点20-21
• 2.1.2 厚膜SOI-LIGBT器件的优势21-22
• 2.2 静态参数特性分析22-26
• 2.2.1 雪崩击穿电压22-25
• 2.2.2 阈值电压25
• 2.2.3 电流能力25-26
• 2.3 开关特性分析26-29
• 2.3.1 开启过程27-28
• 2.3.2 关断过程28-29
• 2.3.3 开关损耗占比问题29
• 2.4 其他特性分析29-32
• 2.4.1 抗闩锁能力30
• 2.4.2 电流回跳问题30-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第三章 厚膜SOI-LIGBT器件的关断特性研究34-52
• 3.1 传统厚膜SOI-LIGBT器件关断过程载流子分布34-47
• 3.1.1 关断前载流子的分布情况41-42
• 3.1.2 关断过程中耗尽层展宽的过程42-45
• 3.1.3 关断过程中载流子的分布情况45
• 3.1.4 关断过程中载流子的流动路径45-47
• 3.1.5 关断过程中载流子的复合情况47
• 3.2 几种具有快速关断特性的结构47-51
• 3.2.1 阳极短路结构仿真研究47-48
• 3.2.2 分段阳极结构仿真研究48-49
• 3.2.3 集电极端P+/P-结构仿真研究49-50
• 3.2.4 双栅结构仿真研究50-51
• 3.3 本章小结51-52
• 第四章 快关断厚膜SOI-LIGBT器件的优化设计52-68
• 4.1 具有沟槽隔离阳极短路结构的厚膜SOI-LIGBT器件52-53
• 4.1.1 具有沟槽隔离阳极短路结构的厚膜SOI-LIGBT器件特点52
• 4.1.2 具有沟槽隔离阳极短路结构的厚膜SOI-LIGBT器件原理52-53
• 4.2 基本结构参数设计53-61
• 4.2.1 耐压能力设计53-57
• 4.2.2 阈值电压设计57-58
• 4.2.3 电流能力设计58-59
• 4.2.4 抗闩锁能力设计59-60
• 4.2.5 基本参数确定60-61
• 4.3 关断特性优化设计61-67
• 4.3.1 具有沟槽隔离阳极短路结构的厚膜SOI-LIGBT器件的工作原理仿真分析62-64
• 4.3.2 W_a和W_c对器件关断时间、电流密度和snapback电压的影响64-65
• 4.3.3 W_t对器件器件关断时间、电流密度和snapback电压的影响65
• 4.3.4 L_a对器件电流密度及关断时间的影响65-66
• 4.3.5 W_n和W_p对器件关断时间和电流密度的影响66-67
• 4.3.6 最终器件尺寸67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 厚膜SOI-LIGBT器件的流片验证与测试分析68-76
• 5.1 厚膜SOI-LIGBT器件的工艺流程设计68-69
• 5.2 具有沟槽隔离阳极短路结构的厚膜SOI-LIGBT器件的版图设计69-70
• 5.3 具有沟槽隔离阳极短路结构的厚膜SOI-LIGBT器件的测试结果70-74
• 5.3.1 器件耐压测试结果71
• 5.3.2 器件阈值电压测试结果71-72
• 5.3.3 器件电流能力测试结果72-73
• 5.3.4 器件关断时间测试结果73
• 5.3.5 器件抗闩锁能力测试结果73-74
• 5.4 本章小结74-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 6.1 总结76-77
• 6.2 展望77-78
• 致谢78-80
• 参考文献80-84
• 攻读硕士期间发表的论文和专利84

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