【摘 要】
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是一种利用金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）驱动双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）实现导通的复合型器件,兼具MOSFET和BJT的优点,自问世以
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是一种利用金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）驱动双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）实现导通的复合型器件,兼具MOSFET和BJT的优点,自问世以来得到了广泛的研究与应用。ESD（Electro-Static discharge）是指“静电释放”。对于IGBT器件而言,ESD所带来的高电场会导致栅电容两端电势差增大,当栅电容两端电势差超过栅氧化层击穿电压(VOX)时会导致器件失效。针对提升IGBT器件栅极ESD防护能力,本文主要研究了以下几点内容:（1）首先分析了ESD导致IGBT栅氧化层损坏现象的原因,提出了IGBT栅极与发射极之间的电压钳位的方法,为实现器件的栅极ESD防护功能提供了理论依据。（2）提出了一种具有栅极ESD防护功能的栅极电压自钳位IGBT（Gate Voltage Self-Clamp IGBT,GVC-IGBT）。GVC-IGBT在部分IGBT元胞的栅极与发射极之间集成了钳位二极管,通过钳位二极管的反向雪崩击穿和正向导通,将栅极瞬态电压钳位在21 V至-0.7 V之间。GVC-IGBT栅极-发射极最大可承受ESD电压VESD达到了5.149 k V,相比于常规IGBT（Conventional IGBT,Con-IGBT）提升了5.86倍,发射极-栅极VESD达到了13.434 k V,相比于Con-IGBT提升了15.3倍,而VCE（ON）增加了5.8%,实现了栅极ESD防护功能,达到了设计要求。但GVC-IGBT的导通压降有较大的增加,同时发射极-栅极钳位电压过小。（3）针对IGBT器件栅极加负电关断的应用,本文提出一种具有栅极ESD防护功能的多晶硅栅极电压自钳位IGBT（Polysilicon Gate Voltage Self-Clamp IGBT,PGVC-IGBT）,通过在器件栅极与发射极之间制作两个多晶硅材料的背靠背的钳位二极管将栅极瞬态电压钳位在21 V至-21 V之间。PGVC-IGBT栅极-发射极VESD达到了5.984 k V,相比于Con-IGBT提升了6.81倍,发射极-栅极VESD达到了5.934k V,相比于Con-IGBT提升了7.19倍,而VCE（ON）仅增加了3.7%,实现了栅极ESD防护功能,达到了设计要求。PGVC-IGBT相比GVC-IGBT有更低的导通压降,且发射极-栅极钳位电压显著提高。虽然器件的工艺更复杂,成本更高,但在加负电压关断的应用中具有一定的实用价值。
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