新型RC-IGBT的研究.pdf

1、在新能源、高鐵、電動汽車、智能電網(wǎng)這些綠色產(chǎn)業(yè)或產(chǎn)品中,絕緣柵雙極型晶體管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)是必不可少的核心功率器件。隨著低碳、節(jié)能概念在全球范圍內(nèi)的普及,IGBT將會成為功率器件市場的主流產(chǎn)品。自誕生以來,IGBT就朝著高功率、高可靠性、低功耗和低成本的方向發(fā)展。近些年來,薄片工藝技術(shù)及高級芯片設(shè)計技術(shù)的迅速發(fā)展,使IGBT的導(dǎo)通壓降、關(guān)斷損耗以及短路安全工作區(qū)等關(guān)鍵性能達

2、到了前所未有的優(yōu)異程度。為了拓展IGBT的發(fā)展空間,人們開始嘗試將IGBT與續(xù)流二極管集成,研究發(fā)展逆導(dǎo)IGBT(RC-IGBT)產(chǎn)品。
　　由于IGBT自身不具備逆向?qū)芰?在大部分的IGBT應(yīng)用電路中,都會給它反并聯(lián)續(xù)流二極管以作保護。早期做法是分別制作IGBT和二極管,再將它們集成封裝在一起,做成IGBT、二極管對。為降低成本、提高芯片的功率密度,人們開始通過工藝將IGBT與二極管集成,發(fā)展RC-IGBT。經(jīng)過近些年的研究

3、和改進,RC-IGBT的性能越來越優(yōu)秀,已有取代傳統(tǒng)集成封裝IGBT、二極管對的趨勢。但是,它仍然存在一些問題亟需解決,比如,正向?qū)〞r有電壓折回(Voltage snapback)現(xiàn)象,漂移區(qū)電流分布不均勻和反向恢復(fù)性能差等。這些問題是RC-IGBT產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的障礙。
　　對于上述問題,本文首先詳細(xì)研究RC-IGBT發(fā)生電壓折回問題的機理,建立簡單模型,求解為避免該問題RC-IGBT的陽極發(fā)射區(qū)應(yīng)有的最小寬度;其次,研究了RC

4、-IGBT反向?qū)〞r電流分布不均勻的現(xiàn)象,首次揭示了電流分布不均勻會導(dǎo)致RC-IGBT反向關(guān)斷時出現(xiàn)“閂鎖”的現(xiàn)象;最后,作者提出一系列新型的RC-IGBT。與傳統(tǒng)RC-IGBT相比,它們不僅沒有電壓折回問題,而且具有更好的正、反向?qū)ㄌ匦砸约案鼘挼姆聪虬踩ぷ鲄^(qū)。
　　本文的創(chuàng)新性內(nèi)容主要在第三章到第五章,創(chuàng)新性工作主要包括:
　　1.詳細(xì)分析傳統(tǒng)RC-IGBT發(fā)生電壓折回的原因,建立它實現(xiàn)snapback-free的條件

5、,根據(jù)它正向?qū)〞r的工作機理,求出P-emitter區(qū)版圖不同時,其上方N-buffer區(qū)的分布式電阻,然后計算出RC-IGBT實現(xiàn)無電壓折回(snapback-free)所需的P-emitter的長度。最后,通過Medici仿真驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,并分析誤差產(chǎn)生的原因。該理論計算結(jié)果準(zhǔn)確性高,適用于不同電壓等級的場終止型RC-IGBT(Field-stop RC-IGBT,FS-RC-IGBT),對于指導(dǎo)RC-IGBT的陽極版圖的設(shè)

6、計十分有幫助。
　　2.借助仿真工具,首次詳細(xì)闡述了傳統(tǒng)RC-IGBT在反向?qū)〞r因陽極結(jié)構(gòu)原因?qū)е码娏鳌⒎瞧胶廨d流子分布不均勻,進而導(dǎo)致它反向關(guān)斷失效的現(xiàn)象。分析了RC-IGBT從反向?qū)ǖ椒聪蜿P(guān)斷過程中,非平衡空穴橫向分布隨時間變化的具體情形,揭示了它反向?qū)〞r電流集中是導(dǎo)致其反向關(guān)斷時“閂鎖”的根本原因。最后,研究了非平衡少子壽命、N+short長度以及溫度對傳統(tǒng)RC-IGBT反向關(guān)斷抗閂鎖能力的影響。
　　3.提出了

7、一系列旨在解決RC-IGBT正向?qū)〞r電壓折回問題的新型RC-IGBT。它們不僅都比較好地解決了RC-IGBT的電壓折回問題,而且正向?qū)▔航蹬c關(guān)斷損耗(Von~Eoff)、反向?qū)▔航蹬c反向恢復(fù)電荷(Von~Qrr)等折中關(guān)系也比傳統(tǒng)RC-IGBT更加優(yōu)化。其中有兩種新型RC-IGBT的正、反向?qū)ㄌ匦蕴貏e優(yōu)異。與傳統(tǒng)RC-IGBT相比,它們的正、反向?qū)妷航档土酥辽?5％。除此之外,它們都有電流分布均勻的特點,最大可反向關(guān)斷的電流