在新能源、高铁、电动汽车、智能电网这些绿色产业或产品中,绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)是必不可少的核心功率器件。随着低碳、节能概念在全球范围内的普及,IGBT将会成为功率器件市场的主流产品。自诞生以来,IGBT就朝着高功率、高可靠性、低功耗和低成本的方向发展。近些年来,薄片工艺技术及高级芯片设计技术的迅速发展,使IGBT的导通压降、关断损耗以及短路安全工作区等关键性能达到了前所未有的优异程度。为了拓展IGBT的发展空间,人们开始尝试将IGBT与续流二极管集成,研究发展逆导IGBT(RC-IGBT)产品。由于IGBT自身不具备逆向导通能力,在大部分的IGBT应用电路中,都会给它反并联续流二极管以作保护。早期做法是分别制作IGBT和二极管,再将它们集成封装在一起,做成IGBT、二极管对。为降低成本、提高芯片的功率密度,人们开始通过工艺将IGBT与二极管集成,发展RC-IGBT。经过近些年的研究和改进,RC-IGBT的性能越来越优秀,已有取代传统集成封装IGBT、二极管对的趋势。但是,它仍然存在一些问题亟需解决,比如,正向导通时有电压折回(Voltage snapback)现象,漂移区电流分布不均匀和反向恢复性能差等。这些问题是RC-IGBT产品广泛应用的障碍。对于上述问题,本文首先详细研究RC-IGBT发生电压折回问题的机理,建立简单模型,求解为避免该问题RC-IGBT的阳极发射区应有的最小宽度;其次,研究了RC-IGBT反向导通时电流分布不均匀的现象,首次揭示了电流分布不均匀会导致RC-IGBT反向关断时出现“闩锁”的现象;最后,作者提出一系列新型的RC-IGBT。与传统RC-IGBT相比,它们不仅没有电压折回问题,而且具有更好的正、反向导通特性以及更宽的反向安全工作区。本文的创新性内容主要在第三章到第五章,创新性工作主要包括:1.详细分析传统RC-IGBT发生电压折回的原因,建立它实现snapback-free的条件,根据它正向导通时的工作机理,求出P-emitter区版图不同时,其上方N-buffer区的分布式电阻,然后计算出RC-IGBT实现无电压折回(snapback-free)所需的P-emitter的长度。最后,通过Medici仿真验证计算结果的准确性,并分析误差产生的原因。该理论计算结果准确性高,适用于不同电压等级的场终止型RC-IGBT(Field-stop RC-IGBT,FS-RC-IGBT),对于指导RC-IGBT的阳极版图的设计十分有帮助。2.借助仿真工具,首次详细阐述了传统RC-IGBT在反向导通时因阳极结构原因导致电流、非平衡载流子分布不均匀,进而导致它反向关断失效的现象。分析了RC-IGBT从反向导通到反向关断过程中,非平衡空穴横向分布随时间变化的具体情形,揭示了它反向导通时电流集中是导致其反向关断时“闩锁”的根本原因。最后,研究了非平衡少子寿命、N+short长度以及温度对传统RC-IGBT反向关断抗闩锁能力的影响。3.提出了一系列旨在解决RC-IGBT正向导通时电压折回问题的新型RC-IGBT。它们不仅都比较好地解决了RC-IGBT的电压折回问题,而且正向导通压降与关断损耗(Von~Eoff)、反向导通压降与反向恢复电荷(Von~Qrr)等折中关系也比传统RC-IGBT更加优化。其中有两种新型RC-IGBT的正、反向导通特性特别优异。与传统RC-IGBT相比,它们的正、反向导通电压降低了至少35%。除此之外,它们都有电流分布均匀的特点,最大可反向关断的电流密度比传统RC-IGBT高两倍。