基于TCAD的SJ-IGBT特性設(shè)計與分析.pdf

1、絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作為電力電子領(lǐng)域中的一種典型開關(guān)器件，具有輸入阻抗大、導(dǎo)通壓降低、驅(qū)動功率小等優(yōu)點，在開關(guān)電源、家用電器、軌道交通等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。然而，傳統(tǒng)IGBT存在導(dǎo)通壓降和關(guān)斷功耗的矛盾關(guān)系。如何有效改善器件導(dǎo)通壓降和關(guān)斷功耗之間的折中關(guān)系一直是IGBT設(shè)計的難點。針對此問題，在IGBT理論研究基礎(chǔ)上，通過在器件漂移區(qū)中引入超結(jié)(Supe

2、r Junction，SJ)結(jié)構(gòu)，目的在于進一步提高IGBT的綜合性能。本文使用Medici TCAD軟件對SJ-IGBT器件特性進行了較為系統(tǒng)地仿真和分析，具體研究內(nèi)容如下:
　　第一，分析了SJ-IGBT器件工作原理，研究了柱區(qū)寬度、厚度、摻雜濃度對器件靜動態(tài)特性的影響。當P柱和N柱保持電荷平衡時，器件耐壓特性明顯優(yōu)于FS-IGBT。當P柱和N柱電荷失衡時，器件擊穿電壓會有所降低，且下降幅度與柱區(qū)摻雜濃度有較大關(guān)系。器件正向?qū)?/p>

3、通時的電流輸運模式受柱區(qū)摻雜濃度和FS層摻雜濃度影響，存在單極和雙極輸運模式。結(jié)果表明，在正向飽和導(dǎo)通壓降為1.6V時，SJ-IGBT器件的關(guān)斷功耗較FS-IGBT器件降低了約39.96％。因此，超結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效改善器件性能。
　　第二，分析了半超結(jié)IGBT(Semi SJ-IGBT)器件特性。結(jié)果表明，隨著柱區(qū)厚度的增加，器件擊穿電壓也隨之增加。同時，器件導(dǎo)通壓降易受柱區(qū)摻雜濃度的影響。為了降低SemiSJ-IGBT的導(dǎo)通壓降，

4、研究了具有N阻擋層的Semi SJ-IGBT器件特性。結(jié)果表明，N阻擋層能夠起到有效降低器件導(dǎo)通壓降的作用。
　　第三，在Semi SJ-IGBT結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了一種帶電子抽取通道的新型Semi SJ-IGBT結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)底部具有一個NPN三極管，在器件關(guān)斷過程中，NPN三極管能夠為電子載流子提供抽取通道，提高了器件的關(guān)斷速度，從而實現(xiàn)降低關(guān)斷功耗的目的。結(jié)果表明，在正向飽和導(dǎo)通壓降為1.25V時，新型器件的關(guān)斷功耗較Semi