【摘 要】
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电力电子技术兴起于上世纪六七十年代,是一种利用电力电子器件（又称功率半导体器件）对电能进行变换和控制的电子技术,具有高效节能的优点。随着科技的进步,功率半导体器件不断完善和发展,广泛应用于轨道交通、城市电网、汽车电子、工业电机等诸多领域。在现如今提倡节能减排的大环境下,各个应用领域对功率器件的要求越来越高,功率器件发展前景越来越广阔。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar
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电力电子技术兴起于上世纪六七十年代,是一种利用电力电子器件（又称功率半导体器件）对电能进行变换和控制的电子技术,具有高效节能的优点。随着科技的进步,功率半导体器件不断完善和发展,广泛应用于轨道交通、城市电网、汽车电子、工业电机等诸多领域。在现如今提倡节能减排的大环境下,各个应用领域对功率器件的要求越来越高,功率器件发展前景越来越广阔。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）综合了晶闸管和功率MOS器件的特点,兼具低损耗、高耐压和大电流的优势,是目前发展最快的新型功率半导体器件之一。本文以中压（1200V）场截止型（Field Stop,FS）IGBT为研究对象,通过阅读文献,了解IGBT器件的发展历史,学习前人为改善器件性能所提出的“注入增强”、“载流子存储”等优化技术。基于半导体器件物理原理,本文通过仿真模拟,探索优化FS-IGBT导通压降和击穿电压,提出了“窄台面（mesa）结构、N+载流子存储层（Charge Carrier Storage Layer,CS-layer）和浮空P-base元胞”的复合型元胞结构。本课题的主要工作包括:1、运用Medici仿真软件搭建二维FS-IGBT器件结构,进行导通状态和阻断状态的电学特性模拟。通过研究CS层、mesa宽度对IGBT器件导通压降和击穿电压的影响,可以得出,相比于宽mesa结构(Wmesa=2.5μm),窄mesa结构(Wmesa=0.5μm)元胞能够将导通压降从1.3V降低至1.1V,减小约15%;在耐压能力上,窄mesa结构的击穿电压从1235V提升至1323V,提高了约7%。在此基础上引入较高浓度(NCS=1e17cm-3)的浅CS-layer可以将导通压降进一步降低至1.02V,而击穿电压只下降2V,下降幅度仅0.15%,基本不会对元胞的耐压性能造成影响。综合得出,窄mesa元胞与较高浓度浅CS层的复合型结构具有较好的导通损耗和耐压能力,导通压降减小约22%,耐压能力提高约7%。2、在窄mesa复合型元胞基础上,提出了与浮空型元胞并联的组合结构,运用Medici软件搭建模型并进行导通状态仿真。仿真结果显示,浮空元胞在组合结构中的占比为1:4（浮空元胞:复合型元胞=1:3）时导通压降最小（降低约5%）,并且可以通过调整组合结构的比例实现不同工作电流,以适应各种工作场景。3、根据FS-IGBT制造工艺流程以及仿真结果,绘制了1200V FS-IGBT的掩模版（mask）版图（layout）。版图整体为2500μm×2500μm的圆角正方形,其中2000μm×2000μm的方形区为器件的有源区域,主要包括条形元胞阵列（cell array）和栅极焊盘（Gate Pad）结构,在有源区边缘和拐角等易击穿区域进行了创新设计。终端区域面积约2.25×10~6μm~2,占总面积的36%。终端采取浮空场环结构,运用了不等距的多重场限环结构,以增强产品整体耐压性能。
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