论文部分内容阅读
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)同时具有MOS(Metal Oide Semicondutor)的栅控制能力和Bipolar的电导调制效应。但是IGBT是一个单向导通器件,在反向导通时需要一个额外的二极管,以通过负载中的无功电流,同时抑制电路中寄生电感产生的额外电压。为此近几年人们又提出了逆导型绝缘栅晶体管(Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor,RC-IGBT)并对其进行了深入研究。导型绝缘栅晶体管RC-IGBT通过将部分P-Collector用N-Collector来取代,成功的将续流二极管(Free-Wheeling Diode,FWD)和绝缘栅晶体管IGBT集成到同一块硅片上。使得其不但拥有了双向导通能力而且大大提高了芯片的集成度。同时由于不需要在绝缘栅晶体管和续流二极管间外加额外的互连线,又解决芯片间的可靠性问题。但是,这种逆导型绝缘栅晶体管RC-IGBT本身存在新的缺点即在正向导通时电子会首先流过N-Collector,在更大的电流密度下P-Collector才能向漂移区中注入空穴,即存在由单电子导电模式向双极性导电模式转换过程,使得电流电压输出曲线上出现了负阻(Snapback)效应,故需对其物理机理进行深入分析并采用新的结构来抑制这种效应。同时传统RC-IGBT中N-Collector的引入会使得其击穿电压以及电流分布情况发生改变,故有必要对击穿漏电流和电流分布进行物理建模以更深入的研究其物理机理。另外随着集成器件的频率和性能的不断提高,传统RC-IGBT中集成的二极管与IGBT的开关过程需进一步优化使它们性能相互匹配,故要求二极管必须具有较低通态压降还应具有短的反向恢复时间trr;较小的反向恢复电流IRRM,同时具有软的反向恢复特性。为此本文以逆导型绝缘栅晶体管RC-IGBT为研究课题。主要针对RC-IGBT中的Snapback现象提出了负阻效应物理模型,以及对击穿耐压和导通电流提出了相应的漏电流模型和电流分布模型。并重点提出了双阳极型RC-IGBT、分离型RC-IGBT以及结隔离型RC-IGBT三种新结构来消除传统RC-IGBT中的负阻效应。主要创新点如下:(1)提出负阻效应物理模型,通过模型不但加深了对其物理机理的了解,而且指出了消除负阻效应的方法:从P-Collector/n-buffer的压降VPN电压模型来看,可以通过提高n-buffer层的电阻和增加P-Collector的长度来提高VPN数值,使得器件一开始就进入双极性导电模式。从负阻效应大小△VSB模型来看,可以通过提高集电极电阻以及降低漂移区电阻来减小△VSB大小从而消除负阻效应。在模型的指导下首先提出了双阳极型RC-IGBT,通过引入双阳极结构来增大集电极电阻从而有效的抑制了Snapback现象,并通过仿真验证这种新结构RC-IGBT相对传统RC-IGBT还具有更低的正向导通压降和更优的折中关系。(2)根据负阻效应模型提出分离型RC-IGBT。通过改变集电极P-Collector和N-Collector的位置,使得P-Collector长度得到整合,P-Collector/n-buffer的压降VPN得到提高,使之在很低的外加电压下这种分离型RC-IGBT就进入双极性导通模式。经仿真验证该分离型RC-IGBT能完全消除Snapback现象且仅仅通过版图设计就能实现。同时本章节还对其IGBT区域的击穿特性进行了探讨,对其室温和高温漏电流特性进行了仿真和实验,并对比介绍了CS-IGBT相对传统IGBT在高温下可靠性会更高,对如何设计高性能的CS-RC-IGBT具有指导意义。(3)提出结隔离型RC-IGBT,在集电极上引入P浮空电流栓和NPN晶体管的结构来阻挡电流直接流向N型集电极,使得IGBT区和FWD通过PN结而被隔离开来。同时,对RC-IGBT中的CIBH(Controlled Injection of Backside Holes)类型二极管的反向恢复特性进行了探讨,传统PIN二极管由于瞬间抽取漂移区中大量的过剩载流子会产生很高的反向恢复电流IRRM和造成反向恢复电流的Snap-off现象,这种RC-IGBT中的CIBH类型二极管由于存在P-Collector的空穴注入,缓解了载流子的抽取过程从而不存在电流的Snap-off现象。