论文部分内容阅读
现今社会电能的主要来源依旧是不可再生资源,电力电子技术作为一种旨在提高电能传输和利用效率的技术,可以有效的减少资源消耗。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为一款在电力电子器件发展史上里程碑似的器件,结合了MOSFET驱动功率小、开关速度快和双极型器件导电能力强等特点。电力电子系统模块化、复合化和微型化的进程又促进了横向可集成IGBT（Lateral IGBT,LIGBT）的研究和应用。但是传统LIGBT作为一种双极型器件,由于漂移区极高浓度的载流子,其关断损耗(EOFF)显著高于单极型器件。并且,由于LIGBT的电流能力强,其应具有较高短路安全工作特性以防止器件烧毁。除此之外,解决反向导通IGBT（Reverse Conducting IGBT,RC-IGBT）所存在电压折回现象,也是IGBT研究的热点之一。为了优化LIGBT的关断损耗EOFF与导通压降VON之间的折衷关系,提高其短路安全工作特性,并解决RC-LIGBT电压折回的问题,本论文中开展了如下创新工作:1.提出了一种具有自偏置n型场效应晶体管（n-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,nMOS）的绝缘体上硅LIGBT（Silicon-On-Insulator LIGBT,SOI-LIGBT）。该结构在传统槽栅型电子注入增强SOI-LIGBT结构基础上使用了双表面电场强度降低（Double Reduced Surface Field,Double-RESURF）技术,并引入了一个自偏置nMOS。Double-RESURF技术引入的p-top区可以大幅降低器件关断损耗EOFF;并且,该自偏置nMOS可以在开启和关断瞬态下实现自动关闭和打开,并自动调控p-top区的浮空状态。因此,该结构既可降低导通态下的导通电压VON又可实现关断过程中载流子的快速抽取,最终该结构VON与EOFF之间的折衷关系可得到大幅优化。仿真结果表明在相同的EOFF下,本文结构的VON相比于传统槽栅型电子注入增强SOI-LIGBT（Injection-Enhanced LIGBT,LIEGT）与Double-RESURF LIEGT分别降低了11.4%和32.5%;在相同的VON下,其EOFF相比于后两者分别降低了70%和89%。2.提出了一种具有二极管钳位的SOI-LIGBT。该结构利用Double-RESURF技术来降低关断损耗EOFF,同时利用p-base区下方加入的n型重掺杂载流子存储（n-type Carrier Stored,n-CS）层来阻挡空穴流入p-base区,从而降低器件的导通压降VON。另外,该结构在阳极一侧加入SiO2深槽来进一步降低器件关断损耗EOFF。该结构通过引入两个串联的二极管和一个p型屏蔽（p-type Shielded,p-shield）区来消除n-CS层对击穿电压（VB）的不利影响并实现更低的饱和电流密度。最终该结构VON与EOFF之间的折衷关系可得到大幅优化,并且可实现更加优异的短路安全工作特性。仿真结果表明在相同的VON下,本文SOI-LIGBT的EOFF相比于传统SOI-LIGBT以及分离阳极短路LIGBT（Separated-Shorted-Anode LIGBT,SSA-LIGBT）分别降低了90%和97%;其短路安全工作的维持时间将近传统SOI-LIGBT的三倍。3.提出了一种具有自偏置p型场效应晶体管（pMOS）钳位的Double-RESURF SOI-LIGBT。该结构利用n-CS层对空穴的阻挡作用来降低器件的导通压降VON,并利用Double-RESURF技术来降低关断损耗EOFF。该结构中引入的自偏置pMOS可以将p-shield区和n-CS区的电位钳位在较低的值,从而避免了p-base/n-CS结的提前击穿并降低饱和电流密度。为了使得p-shield区更易于制作并进一步降低p-base区对空穴的收集作用,本结构在阴极一侧采用了深槽结构。最终该结构VON与EOFF之间的折衷关系可得到大幅优化,其短路安全工作特性也得到了大幅改善。仿真结果表明在相同的EOFF下,本文Double-RESURF SOI-LIGBT的VON相比于传统Double-RESURF SOI-LIGBT降低了15%;其饱和电流密度降低了50%且短路安全工作的维持时间提高了将近90%。4.提出了一种具有正反并联二极管的RC-LIGBT。该结构利用反向并联的二极管（DR）来实现反向导通功能,并利用正向并联的二极管（DF）来消除电压折回现象和降低器件关断损耗。另外,相比于传统横向PiN二极管与传统LIGBT并联的结构以及SSA-LIGBT,该器件的芯片面积利用效率更高。最终本文提出的RC-LIGBT可实现大幅优化的VON-EOFF折衷关系,并且可实现无电压转折现象的反向导通功能。另外,该结构反向恢复电荷(Qrr)比传统横向PiN二极管更低。仿真结果表明本文结构的关断损耗EOFF和反向恢复电荷Qrr比传统横向PiN二极管与传统LIGBT并联的结构分别降低了44.3%与25.8%,并且其导通压降VON要显著低于SSA-LIGBT。