新型大功率绝缘栅双极晶体管的设计与试验研究

发布时间：2017-12-14 09:10

  本文关键词：新型大功率绝缘栅双极晶体管的设计与试验研究

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【摘要】：一代器件技术决定一代电力电子技术,每一代新型电力电子器件的出现,总是带来一场电力电子技术的革命。绝缘栅双极晶体管作为最有现实价值的电力电子器件,具有开关频率高、驱动电路简单、驱动功率小等特点,已广泛应用于工业电机节能、新能源发电、输变电、电能质量,轨道交通、冶金化工、新能源汽车、国防、智能电网和直流微网等行业。绝缘栅双极晶体管器件作为电力电子器件的重要成员,其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门,毫无疑问,它将成为21世纪重要关键技术之一。本文综述了绝缘栅双极晶体管的发展历程和研究现状,并采用先进的设计理念实验研究了3300 V增强型高压绝缘栅双极晶体管。同时,在理论与实践结合的基础上,创新地提出了新型高速绝缘栅双极晶体管和新型高导绝缘栅双极晶体管,并对这两类高性能绝缘栅双极晶体管进行了全面且深入的研究。以上高压、高速和高导型绝缘栅双极晶体管的主要研究内容概述如下。首先,本文设计与试验研究了3300 V增强型高压绝缘栅双极晶体管。从引入绝缘栅双极晶体管的静态特性、动态特性和可靠性三角折衷设计开始,深入分析了增强型高压绝缘栅双极晶体管的理论设计、仿真设计、工艺设计、版图设计和芯片测试,并通过芯片制造试验验证了该高压绝缘栅双极晶体管设计的正确性。增强型高压绝缘栅双极晶体管的试验研究分为理论设计,包括击穿电压、阈值电压、正向压降、关断时间等;仿真优化设计,包括击穿特性、转移特性、传输特性、动态特性和可靠性等电气性能;工艺设计,对仿真设计的参数进行了工艺模拟和优化;版图设计,包括设计晶圆制造的光刻版图;芯片试验,设计的工艺在产线中试验;芯片测试,测试结果是对设计和制造正确性的验证。其次,本文提出了一种新型高速绝缘栅双极晶体管。该新型高速绝缘栅双极晶体管的设计思想是通过形成集电极沟槽的电子沟道抽取过量电子而达到高速关断的目标。理论分析表明该集电极沟槽型绝缘栅双极晶体管的阻断原理、传输机制、动态机制和雪崩机制均有对比传统沟槽场截止绝缘栅双极晶体管的优势。仿真验证表明该集电极沟槽型绝缘栅双极晶体管具有比传统沟槽场截止绝缘栅双极晶体管快74%的开关速度和更低的关断损耗,改进型集电极沟槽绝缘栅双极晶体管快49%,并保持几乎相同的击穿电压、电流密度和阈值电压,验证了提出的设计思想。最后,本文提出了一种新型高导绝缘栅双极晶体管。该新型准晶闸管高导绝缘栅双极晶体管的设计思想是通过在绝缘栅双极晶体管的P型基区与发射极金属之间形成肖特基接触势垒以阻止空穴电流的分流,从而达到增强电导调制效应的目标。仿真研究了该器件的主要电气特性,包括阻断特性、转移特性、传输特性、动态特性、关断损耗、闭锁特性和反向安全工作区。仿真结果展示该准晶闸管高导绝缘栅双极晶体管的电流密度具有比传统沟槽场截止绝缘栅双极晶体管高53%、关断损耗低27%,改进型准晶闸管高导绝缘栅双极晶体管的电流密度高76%、关断损耗低34%,并保持几乎相同的击穿电压和阈值电压等,因而验证了该肖特基接触绝缘栅双极晶体管的设计思想。因此,本文不仅设计和研制了3300 V的增强型高压绝缘栅双极晶体管器件,而且在国外对绝缘栅双极晶体管核心器件技术垄断的背景下创新性的提出了两类高性能绝缘栅双极晶体管,为掌握真正自主知识产权的绝缘栅双极晶体管器件设计和研制技术具有一定的意义。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8

【参考文献】

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1 叶立剑;邹勉;杨小慧;;IGBT技术发展综述[J];半导体技术;2008年11期

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本文编号：1287317