论文部分内容阅读
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为电力电子领域中的—’种典型开关器件,具有输入阻抗大、导通压降低、驱动功率小等优点,在开关电源、家用电器、轨道交通等领域发挥着日益重要的作用。然而,传统IGBT存在导通压降和关断功耗的矛盾关系。如何有效改善器件导通压降和关断功耗之间的折中关系一直是IGBT设计的难点。针对此问题,在IGBT理论研究基础上,通过在器件漂移区中引入超结(Super Junction,SJ)结构,目的在于进一步提高IGBT的综合性能。本文使用Medici TCAD软件对SJ-IGBT器件特隆进行了较为系统地仿真赫分析,具体研究内容如下:第一,分析了 SJ-IGBT器件工作原理,研究了柱区宽度、厚度、掺杂浓度对器件静动态特性的影响。当P柱和N柱保持电荷平衡时,器件耐压特性明显优于FS-IGBT。当P柱和N柱电荷失衡时,器件击穿电压会有所降低,且下降幅度与柱区掺杂浓度有较大关系。器件正向导通时的电流输运模式受柱区掺杂浓度和FS层掺 浓度影响,存在单极和双极输运模式駄结果表明,在正向饱和导通压降为1.6V时,SJ-IGBT器件的关断功耗较FS-IGBT器件降低了约39.96%。因此,超结结构能够有效改善器件性能。第二,分析了半超结IGBT(Semi SJ-IGBT)器件特性。结果表明,随着柱区厚度的增加,器件击穿电压也随之增加。同时,器件导通压降易受柱区掺杂浓度的影响。为了降低Semi SJ-IGBT的导通压降,研究了具有N阻挡层的Semi SJ-IGBT器件特性。结果表明,N阻挡层會辦起到有效降低器件导通压降的作用。第三,在Semi SJ-IGBT结构基础上,提出了一种带电子抽取通道的新型Semi SJ-IGBT结构。该结构底部具有一个NPN三极管,在器件关断过程中,NPN三极管能够为电子载流子提供抽取通道,提高了器件的关断速度,从而实现降低关断功耗的目的。结果表明,在正向饱和导通压降为1.25V时,新型器件的关断功耗较Semi SJ-IGBT器件降低了约40.03%。因此,器件性能够得到有效改善。第四,在Semi SJ-IGBT结构基础上,又提出了一种具有N掺杂条的新型Semi SJ-IGBT结构。该结构通过在P+集电区内引入N型掺杂条,调节集电极空穴注入效率,从而降低H件的关断时间。结果表明,在正向饱和导通压降为1.25 V时,相比于Semi SJ-IGBT器件,新型器件的关断功耗阐氏了约37.03%。因此,器件性能也能得到有效改善。