大電流IGBT芯片的研究.pdf

1、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為發(fā)展較為成熟的電力電子器件之一，被廣泛應(yīng)用于大功率電機(jī)傳動(dòng)、機(jī)車牽引和高壓輸電等領(lǐng)域。而這些領(lǐng)域恰恰是重要物資生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和能源利用等要害部門，考慮到IGBT長(zhǎng)期高壓大電流的工作模式，以及發(fā)生問(wèn)題所帶來(lái)的嚴(yán)重后果，IGBT的研究主要包括兩方面:一方面為追求通態(tài)壓降和開關(guān)損耗的折衷優(yōu)化，另一方面為調(diào)高器件的可靠性。而軟穿通型IGBT(SPT IGBT)不僅具有較低的導(dǎo)通損耗和通態(tài)壓降，而且具有高短路電流

2、承受能力和極佳的關(guān)斷可靠性。
　　平面型絕緣柵雙極型晶體管(LIGBT)由于它的低通態(tài)壓降和高輸入阻抗特性而廣泛應(yīng)用于功率集成電路中。但是由于在關(guān)斷過(guò)程中電子和空穴只能通過(guò)復(fù)合方式消失，LIGBT的關(guān)斷時(shí)間并不理想。陽(yáng)極短路LIGBT(SA-LIGBT)通過(guò)在集電極引入N型區(qū)域給電子提供了一條有效通路，使得電子可以直接被抽取，從而大大降低了器件的關(guān)斷時(shí)間。雖然SA-LIGBT可以得到較為理想的通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間，但是它在通態(tài)條件下

3、存在逆阻現(xiàn)象，這大大增加了器件的損耗，降低了系統(tǒng)的可靠性。
　　針對(duì)IGBT和SA-LIGBT的這些問(wèn)題，本論文分別對(duì)IGBT器件的結(jié)構(gòu)和可靠性以及SA-LIGBT的逆阻效應(yīng)進(jìn)行了仿真研究和優(yōu)化設(shè)計(jì):
　　1、設(shè)計(jì)了3300V，50A的軟穿通型IGBT芯片(SPT IGBT)，利用數(shù)值仿真軟件Medici對(duì)其動(dòng)態(tài)失效特性進(jìn)行了詳細(xì)的仿真研究，并且利用局域載流子壽命控制的方法對(duì)器件進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明:優(yōu)化后的器件關(guān)斷時(shí)間由

4、8308.5ns降為2505.63ns，關(guān)斷速度提升了3.3倍。
　　2、提出了一種帶有P型柱體的三維陽(yáng)極短路LIGBT結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值仿真軟件Crosslight-APSYS仿真研究了P型柱體的高度、寬度和長(zhǎng)度對(duì)逆阻現(xiàn)象的影響，以及對(duì)器件通態(tài)壓降和關(guān)斷速度的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)P型柱體的高度為1μm，寬度為12μm，長(zhǎng)度為20μm時(shí)，器件的逆阻現(xiàn)象完全消失。新結(jié)構(gòu)LIGBT的通態(tài)壓降為1.61V，關(guān)斷時(shí)間為110.3ns。而具有