新型大功率絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究.pdf

1、一代器件技術(shù)決定一代電力電子技術(shù)，每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來(lái)一場(chǎng)電力電子技術(shù)的革命。絕緣柵雙極晶體管作為最有現(xiàn)實(shí)價(jià)值的電力電子器件，具有開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)節(jié)能、新能源發(fā)電、輸變電、電能質(zhì)量，軌道交通、冶金化工、新能源汽車、國(guó)防、智能電網(wǎng)和直流微網(wǎng)等行業(yè)。絕緣柵雙極晶體管器件作為電力電子器件的重要成員，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門，毫無(wú)疑問(wèn)，它將成為21世紀(jì)重要關(guān)鍵技

2、術(shù)之一。
　　本文綜述了絕緣柵雙極晶體管的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，并采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念實(shí)驗(yàn)研究了3300 V增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管。同時(shí)，在理論與實(shí)踐結(jié)合的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地提出了新型高速絕緣柵雙極晶體管和新型高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管，并對(duì)這兩類高性能絕緣柵雙極晶體管進(jìn)行了全面且深入的研究。以上高壓、高速和高導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管的主要研究?jī)?nèi)容概述如下。
　　首先，本文設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究了3300V增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管。從引入絕緣柵

3、雙極晶體管的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和可靠性三角折衷設(shè)計(jì)開(kāi)始，深入分析了增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管的理論設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)和芯片測(cè)試，并通過(guò)芯片制造試驗(yàn)驗(yàn)證了該高壓絕緣柵雙極晶體管設(shè)計(jì)的正確性。
　　增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管的試驗(yàn)研究分為理論設(shè)計(jì)，包括擊穿電壓、閾值電壓、正向壓降、關(guān)斷時(shí)間等;仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括擊穿特性、轉(zhuǎn)移特性、傳輸特性、動(dòng)態(tài)特性和可靠性等電氣性能;工藝設(shè)計(jì)，對(duì)仿真設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行了工藝模擬和優(yōu)化;版圖

4、設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)晶圓制造的光刻版圖;芯片試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的工藝在產(chǎn)線中試驗(yàn);芯片測(cè)試，測(cè)試結(jié)果是對(duì)設(shè)計(jì)和制造正確性的驗(yàn)證。
　　其次，本文提出了一種新型高速絕緣柵雙極晶體管。該新型高速絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)思想是通過(guò)形成集電極溝槽的電子溝道抽取過(guò)量電子而達(dá)到高速關(guān)斷的目標(biāo)。理論分析表明該集電極溝槽型絕緣柵雙極晶體管的阻斷原理、傳輸機(jī)制、動(dòng)態(tài)機(jī)制和雪崩機(jī)制均有對(duì)比傳統(tǒng)溝槽場(chǎng)截止絕緣柵雙極晶體管的優(yōu)勢(shì)。仿真驗(yàn)證表明該集電極溝槽型絕緣柵雙極晶體

5、管具有比傳統(tǒng)溝槽場(chǎng)截止絕緣柵雙極晶體管快74％的開(kāi)關(guān)速度和更低的關(guān)斷損耗，改進(jìn)型集電極溝槽絕緣柵雙極晶體管快49％，并保持幾乎相同的擊穿電壓、電流密度和閾值電壓，驗(yàn)證了提出的設(shè)計(jì)思想。
　　最后，本文提出了一種新型高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管。該新型準(zhǔn)晶閘管高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)思想是通過(guò)在絕緣柵雙極晶體管的P型基區(qū)與發(fā)射極金屬之間形成肖特基接觸勢(shì)壘以阻止空穴電流的分流，從而達(dá)到增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的目標(biāo)。仿真研究了該器件的主要電氣特性，

6、包括阻斷特性、轉(zhuǎn)移特性、傳輸特性、動(dòng)態(tài)特性、關(guān)斷損耗、閉鎖特性和反向安全工作區(qū)。仿真結(jié)果展示該準(zhǔn)晶閘管高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管的電流密度具有比傳統(tǒng)溝槽場(chǎng)截止絕緣柵雙極晶體管高53％、關(guān)斷損耗低27％，改進(jìn)型準(zhǔn)晶閘管高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管的電流密度高76％、關(guān)斷損耗低34％，并保持幾乎相同的擊穿電壓和閾值電壓等，因而驗(yàn)證了該肖特基接觸絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)思想。
　　因此，本文不僅設(shè)計(jì)和研制了3300V的增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管器件，而