RC-IGBT的理論模型與新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）同時具有MOS（Metal Oide Semicondutor）的柵控制能力和Bipolar的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。但是IGBT是一個單向?qū)ㄆ骷?，在反向?qū)〞r需要一個額外的二極管，以通過負(fù)載中的無功電流，同時抑制電路中寄生電感產(chǎn)生的額外電壓。為此近幾年人們又提出了逆導(dǎo)型絕緣柵晶體管（Reverse-Conducting Insulated Ga

2、te Bipolar Transistor, RC-IGBT）并對其進行了深入研究。導(dǎo)型絕緣柵晶體管 RC-IGBT通過將部分 P-Collector用N-Collector來取代，成功的將續(xù)流二極管（Free-Wheeling Diode, FWD）和絕緣柵晶體管IGBT集成到同一塊硅片上。使得其不但擁有了雙向?qū)芰Χ掖蟠筇岣吡诵酒募啥?。同時由于不需要在絕緣柵晶體管和續(xù)流二極管間外加額外的互連線，又解決芯片間的可靠性問題。

3、r>　　但是，這種逆導(dǎo)型絕緣柵晶體管RC-IGBT本身存在新的缺點即在正向?qū)〞r電子會首先流過 N-Collector,在更大的電流密度下P-Collector才能向漂移區(qū)中注入空穴，即存在由單電子導(dǎo)電模式向雙極性導(dǎo)電模式轉(zhuǎn)換過程，使得電流電壓輸出曲線上出現(xiàn)了負(fù)阻（Snapback）效應(yīng)，故需對其物理機理進行深入分析并采用新的結(jié)構(gòu)來抑制這種效應(yīng)。同時傳統(tǒng)RC-IGBT中N-Collector的引入會使得其擊穿電壓以及電流分布情況發(fā)生改變

4、，故有必要對擊穿漏電流和電流分布進行物理建模以更深入的研究其物理機理。另外隨著集成器件的頻率和性能的不斷提高，傳統(tǒng)RC-IGBT中集成的二極管與 IGBT的開關(guān)過程需進一步優(yōu)化使它們性能相互匹配，故要求二極管必須具有較低通態(tài)壓降還應(yīng)具有短的反向恢復(fù)時間 trr；較小的反向恢復(fù)電流IRRM，同時具有軟的反向恢復(fù)特性。
　　為此本文以逆導(dǎo)型絕緣柵晶體管 RC-IGBT為研究課題。主要針對 RC-IGBT中的Snapback現(xiàn)象提出了負(fù)

5、阻效應(yīng)物理模型，以及對擊穿耐壓和導(dǎo)通電流提出了相應(yīng)的漏電流模型和電流分布模型。并重點提出了雙陽極型 RC-IGBT、分離型RC-IGBT以及結(jié)隔離型RC-IGBT三種新結(jié)構(gòu)來消除傳統(tǒng)RC-IGBT中的負(fù)阻效應(yīng)。主要創(chuàng)新點如下：
　?。?）提出負(fù)阻效應(yīng)物理模型，通過模型不但加深了對其物理機理的了解，而且指出了消除負(fù)阻效應(yīng)的方法：從P-Collector/n-buffer的壓降VPN電壓模型來看，可以通過提高n-buffer層的電阻和

6、增加P-Collector的長度來提高VPN數(shù)值，使得器件一開始就進入雙極性導(dǎo)電模式。從負(fù)阻效應(yīng)大小△VSB模型來看，可以通過提高集電極電阻以及降低漂移區(qū)電阻來減小△VSB大小從而消除負(fù)阻效應(yīng)。在模型的指導(dǎo)下首先提出了雙陽極型 RC-IGBT，通過引入雙陽極結(jié)構(gòu)來增大集電極電阻從而有效的抑制了 Snapback現(xiàn)象，并通過仿真驗證這種新結(jié)構(gòu) RC-IGBT相對傳統(tǒng)RC-IGBT還具有更低的正向?qū)▔航岛透鼉?yōu)的折中關(guān)系。
　?。?）

7、根據(jù)負(fù)阻效應(yīng)模型提出分離型 RC-IGBT。通過改變集電極 P-Collector和N-Collector的位置，使得P-Collector長度得到整合，P-Collector/n-buffer的壓降VPN得到提高，使之在很低的外加電壓下這種分離型RC-IGBT就進入雙極性導(dǎo)通模式。經(jīng)仿真驗證該分離型RC-IGBT能完全消除Snapback現(xiàn)象且僅僅通過版圖設(shè)計就能實現(xiàn)。同時本章節(jié)還對其 IGBT區(qū)域的擊穿特性進行了探討，對其室溫和高溫

8、漏電流特性進行了仿真和實驗，并對比介紹了CS-IGBT相對傳統(tǒng)IGBT在高溫下可靠性會更高，對如何設(shè)計高性能的CS-RC-IGBT具有指導(dǎo)意義。
　?。?）提出結(jié)隔離型RC-IGBT，在集電極上引入P浮空電流栓和NPN晶體管的結(jié)構(gòu)來阻擋電流直接流向N型集電極，使得IGBT區(qū)和FWD通過PN結(jié)而被隔離開來。同時，對RC-IGBT中的CIBH（Controlled Injection of Backside Holes）類型二極管的反