新型大功率絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計與試驗研究.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)，總是帶來一場電力電子技術(shù)的革命。絕緣柵雙極晶體管作為最有現(xiàn)實價值的電力電子器件，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小等特點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)電機節(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)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門，毫無疑問，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，并采用先進的設(shè)計理念實驗研究了3300 V增強型高壓絕緣柵雙極晶體管。同時，在理論與實踐結(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，并對這兩類高性能絕緣柵雙極晶體管進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內(nèi)容概述如下。
　　首先，本文設(shè)計與試驗研究了3300V增強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、動態(tài)特性和可靠性三角折衷設(shè)計開始，深入分析了增強型高壓絕緣柵雙極晶體管的理論設(shè)計、仿真設(shè)計、工藝設(shè)計、版圖設(shè)計和芯片測試，并通過芯片制造試驗驗證了該高壓絕緣柵雙極晶體管設(shè)計的正確性。
　　增強型高壓絕緣柵雙極晶體管的試驗研究分為理論設(shè)計，包括擊穿電壓、閾值電壓、正向壓降、關(guān)斷時間等;仿真優(yōu)化設(shè)計，包括擊穿特性、轉(zhuǎn)移特性、傳輸特性、動態(tài)特性和可靠性等電氣性能;工藝設(shè)計，對仿真設(shè)計的參數(shù)進行了工藝模擬和優(yōu)化;版圖

4、設(shè)計，包括設(shè)計晶圓制造的光刻版圖;芯片試驗，設(shè)計的工藝在產(chǎn)線中試驗;芯片測試，測試結(jié)果是對設(shè)計和制造正確性的驗證。
　　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)計思想是通過形成集電極溝槽的電子溝道抽取過量電子而達到高速關(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、傳輸機制、動態(tài)機制和雪崩機制均有對比傳統(tǒng)溝槽場截止絕緣柵雙極晶體管的優(yōu)勢。仿真驗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)溝槽場截止絕緣柵雙極晶體管快74％的開關(guān)速度和更低的關(guān)斷損耗，改進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，驗證了提出的設(shè)計思想。
　　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)計思想是通過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壘以阻止空穴電流的分流，從而達到增強電導(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)溝槽場截止絕緣柵雙極晶體管高53％、關(guān)斷損耗低27％，改進型準(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，因而驗證了該肖特基接觸絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計思想。
　　因此，本文不僅設(shè)計和研制了3300V的增強型高壓絕緣柵雙極晶體管器件，而