【摘 要】
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碳化硅（Silicon Carbide,SiC）绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）在超高压电力传输系统等超高压应用领域具有广泛的应用潜力。一方面是因为SiC在禁带宽度、临界击穿电场、电子饱和漂移速度以及热导率方面的优势,另一方面是因为IGBT器件输入阻抗高、易于驱动、阻断电压高、电流输运能力强等特点。目前SiC IGBT研究工作主要关注
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碳化硅（Silicon Carbide,SiC）绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）在超高压电力传输系统等超高压应用领域具有广泛的应用潜力。一方面是因为SiC在禁带宽度、临界击穿电场、电子饱和漂移速度以及热导率方面的优势,另一方面是因为IGBT器件输入阻抗高、易于驱动、阻断电压高、电流输运能力强等特点。目前SiC IGBT研究工作主要关注输出特性与关断特性的折中关系。本文以SiC IGBT应用需求为导向,不仅着眼于上述折中关系,还对SiC IGBT的d V/dt控制能力、电磁干扰（EMI）特性、短路特性、温度特性进行了研究分析,针对沟槽型和平面型结构分别提出了两种SiC IGBT新结构,主要内容如下:1、P-Shield电势可调IGBT沟槽型新结构P-Shield电势可调IGBT（Adjustable P-Shield Potential IGBT,AP-IGBT）结构的P-Shield结构可以保护栅氧化层底部。相比P-Shield接地以及浮空时,AP-IGBT栅氧化层峰值电场分别从2.7MV/cm和6.5MV/cm降低到1.4MV/cm。同时,通过不同工作状态下耗尽层面积的变化来调制P-Shield电势,使其在导通状态下处于浮空电势,阻断状态下处于接地电势。AP-IGBT具有P-Shield浮空带来的输出特性优势,同时饱和电流密度相比P-Shield接地以及浮空时均降低了近20%。由于降低了P-Well1区的掺杂浓度,AP-IGBT的栅集电荷(Qgc)较P-Shield接地以及浮空时分别降低了33%和40%,关断损耗(Eoff)分别降低了56%和62%,d V/dt控制能力分别降低了10%和56%,EMI特性分别提升17%和35%(Eon=1550m J/cm~2下的d V/dt)。另外,AP-IGBT的短路时间较P-Shield接地以及浮空时分别提升了97%和37%。2、发射极肖特基接触IGBT平面型新结构发射极肖特基接触IGBT（Emitter Schottky Contact IGBT,ESC-IGBT）结构通过引入肖特基结将栅氧化层峰值电场从传统结构的2.4MV/cm降低到1.3MV/cm。同时,阻断状态下的肖特基结还受到P-Well结构的保护,降低了肖特基结的泄漏电流。导通状态下,电荷存储层（CSL）抑制了空穴的抽取,因此ESC-IGBT的输出特性与传统结构相比没有明显退化。另外由于肖特基界面将部分Qgc转化为了栅射电荷(Qge),ESC-IGBT的Qgc比传统结构降低了37%,Eoff比传统结构降低了34%。肖特基结有助于抽取附近的空穴,使ESC-IGBT的EMI特性相比传统结构提升了10%(Eon=400m J/cm~2下的d V/dt)。
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