高速高压FS-IGBT新结构研究

发布时间：2017-09-24 05:28

  本文关键词：高速高压FS-IGBT新结构研究

  更多相关文章： 场截止绝缘栅晶体管 关断时间 导通压降 击穿电压 负阻现象

【摘要】：本文简要介绍了绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的发展历史和基本工作原理,较为全面地总结了国内外降低高压IGBT关断时间、优化导通-关断功耗折衷关系的研究进展与现状。接着从结构角度出发,研究提出了三种新型场截止型(Field Stop,FS)-IGBT结构。在改善高压FS-IGBT通态-关断折衷关系的同时大幅提高了器件的耐压:沟槽阳极短路(Trench Shorted Anode,TSA)-FS-IGBT结构:在阳极引入槽型氧化层并填充电极形成阳极短路结构,从而大幅降低了器件的关断时间。结合MEDICI器件仿真工具和器件物理知识,详细分析了阳极沟槽长度和厚度对TSA-FS-IGBT耐压、通态特性(包括Snapback现象,饱和特性,温度特性和电流均匀性)及关断特性的影响。结果表明,在1200V级阻断电压下,TSA-FS-IGBT比传统FS-IGBT结构耐压高257V(约19.5%)。且TSA-FS-IGBT具有更好的功耗折衷关系。此外,TSA-FS-IGBT可以完全消除Snapback现象。阳极氧化埋层(Anode Buried Oxide,ABO)-FS-IGBT结构:基于TSA-FS-IGBT结构,ABO-FS-IGBT在阳极只引入一薄氧化层。薄氧化层同样能在阻断时引入电子积累层以提高击穿电压。仿真分析了器件的埋层长度和厚度对耐压、通态特性(包括Snapback现象,饱和特性,温度特性和电流均匀性)和关断时间的影响。仿真结果表明,ABO-FS-IGBT的耐压可达到1551V(较传统FS-IGBT提高约17.9%),略低于TSA-FS-IGBT,但功耗折衷关系更优。阳极浮空P型埋层(Floating P-type Layer,FPL)-FS-IGBT结构:ABO-FS-IGBT虽然简化了工艺步骤,但是在器件背面制作氧化层还是较为复杂。FPL-FS-IGBT在阳极通过离子注入即可引入P型浮空埋层。综合考虑耐压、通态压降和关断功耗的条件下,结合器件仿真结果和器件理论得到了优化的P埋层长度、浓度和厚度。此外,还分析了不同器件参数下阳极NPN晶体管开启对器件关断时间的影响。FPL-FS-IGBT耐压较传统FS-IGBT提高了182V(约14%)且具有更好的通态-关断折衷关系。
【关键词】：场截止绝缘栅晶体管 关断时间 导通压降 击穿电压 负阻现象
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 IGBT发展概述9-10
• 1.2 高速高压IGBT发展现状10-16
• 1.3 本文主要内容与工作16-18
• 第二章 IGBT基本原理与MEDICI简介18-30
• 2.1 IGBT的基本结构18-21
• 2.1.1 NPT-IGBT和PT-IGBT18-20
• 2.1.2 Trench Gate IGBT20-21
• 2.2 IGBT基本工作状态21-27
• 2.2.1 阻断状态21-23
• 2.2.2 正向导通状态23-26
• 2.2.3 开关状态26-27
• 2.3 MEDICI简介及使用27-29
• 2.3.1 物理方程和模型比较27-29
• 2.3.2 使用及注意事项29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 沟槽阳极短路FS-IGBT结构研究30-44
• 3.1 沟槽短路阳极FS-IGBT的结构及工作原理30-31
• 3.2 新器件结构的思想萌芽31-33
• 3.3 TSA-FS-IGBT的转移特性和正向阻断分析33-36
• 3.3.1 TSA-FS-IGBT的转移特性33
• 3.3.2 TSA-FS-IGBT正向阻断性能仿真与分析33-36
• 3.4 TSA-FS-IGBT的导通特性及参数优化36-41
• 3.4.1 导通特性及Snapback现象的消除36-38
• 3.4.2 电导调制过程及载流子分布38-39
• 3.4.3 饱和特性、电流均匀性和温度特性39-41
• 3.5 TSA-FS-IGBT的关断特性与折衷关系41-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 具有阳极氧化埋层的FS-IGBT结构研究44-56
• 4.1 阳极氧化埋层FS-IGBT结构与工作原理44-46
• 4.2 ABO-FS-IGBT的正向阻断特性及原理46-47
• 4.3 ABO-FS-IGBT的正向阻断参数优化47-49
• 4.3.1 氧化埋层长度的影响48
• 4.3.2 氧化埋层厚度及漂移区短路厚度的影响48-49
• 4.4 ABO-FS-IGBT的导通特性及参数优化49-54
• 4.4.1 负阻分析及氧化层长度L2对导通特性的影响49-50
• 4.4.2 氧化层厚度T2对导通特性的影响及优化50-51
• 4.4.3 电导调制过程及载流子分布51-52
• 4.4.4 器件饱和特性、电流均匀性及温度特性52-54
• 4.5 ABO-FS-IGBT的关断特性及折衷关系分析54-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第五章 阳极浮空P型埋层FS-IGBT结构研究56-70
• 5.1 阳极浮空P型埋层FS-IGBT的结构与工作原理56-58
• 5.2 阻断特性及相关参数优化58-62
• 5.2.1 阻断性能仿真58-60
• 5.2.2 埋层长度的阻断性能优化60-61
• 5.2.3 埋层浓度及厚度的阻断性能优化61-62
• 5.3 导通特性及相关参数优化62-65
• 5.3.1 负阻分析及埋层长度与浓度的通态性能优化62-64
• 5.3.2 埋层厚度的通态性能优化64-65
• 5.4 电导调制过程65-66
• 5.5 关断性能参数优化及折衷关系66-69
• 5.5.1 埋层长度对关断时间的影响66-67
• 5.5.2 埋层浓度及厚度对关断时间的影响67-68
• 5.5.3 NPN晶体管开启对关断时间的影响68-69
• 5.5.4 折衷关系69
• 5.6 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 总结70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-75
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文75-76
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利76-77
• 附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目77-78
• 致谢78

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本文编号：909616