本文關(guān)鍵詞：基于TCAD的SJ-IGBT特性設(shè)計與分析　出處：《西南交通大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： IGBT 超結(jié) 擊穿電壓 導(dǎo)通壓降 關(guān)斷功耗

【摘要】：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作為電力電子領(lǐng)域中的—'種典型開關(guān)器件,具有輸入阻抗大、導(dǎo)通壓降低、驅(qū)動功率小等優(yōu)點,在開關(guān)電源、家用電器、軌道交通等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。然而,傳統(tǒng)IGBT存在導(dǎo)通壓降和關(guān)斷功耗的矛盾關(guān)系。如何有效改善器件導(dǎo)通壓降和關(guān)斷功耗之間的折中關(guān)系一直是IGBT設(shè)計的難點。針對此問題,在IGBT理論研究基礎(chǔ)上,通過在器件漂移區(qū)中引入超結(jié)(Super Junction,SJ)結(jié)構(gòu),目的在于進一步提高IGBT的綜合性能。本文使用Medici TCAD軟件對SJ-IGBT器件特隆進行了較為系統(tǒng)地仿真赫分析,具體研究內(nèi)容如下:第一,分析了 SJ-IGBT器件工作原理,研究了柱區(qū)寬度、厚度、摻雜濃度對器件靜動態(tài)特性的影響。當(dāng)P柱和N柱保持電荷平衡時,器件耐壓特性明顯優(yōu)于FS-IGBT。當(dāng)P柱和N柱電荷失衡時,器件擊穿電壓會有所降低,且下降幅度與柱區(qū)摻雜濃度有較大關(guān)系。器件正向?qū)〞r的電流輸運模式受柱區(qū)摻雜濃度和FS層摻 濃度影響,存在單極和雙極輸運模式櫮結(jié)果表明,在正向飽和導(dǎo)通壓降為1.6V時,SJ-IGBT器件的關(guān)斷功耗較FS-IGBT器件降低了約39.96%。因此,超結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效改善器件性能。第二,分析了半超結(jié)IGBT(Semi SJ-IGBT)器件特性。結(jié)果表明,隨著柱區(qū)厚度的增加,器件擊穿電壓也隨之增加。同時,器件導(dǎo)通壓降易受柱區(qū)摻雜濃度的影響。為了降低Semi SJ-IGBT的導(dǎo)通壓降,研究了具有N阻擋層的Semi SJ-IGBT器件特性。結(jié)果表明,N阻擋層g彟起到有效降低器件導(dǎo)通壓降的作用。第三,在Semi SJ-IGBT結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出了一種帶電子抽取通道的新型Semi SJ-IGBT結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)底部具有一個NPN三極管,在器件關(guān)斷過程中,NPN三極管能夠為電子載流子提供抽取通道,提高了器件的關(guān)斷速度,從而實現(xiàn)降低關(guān)斷功耗的目的。結(jié)果表明,在正向飽和導(dǎo)通壓降為1.25V時,新型器件的關(guān)斷功耗較Semi SJ-IGBT器件降低了約40.03%。因此,器件性能夠得到有效改善。第四,在Semi SJ-IGBT結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,又提出了一種具有N摻雜條的新型Semi SJ-IGBT結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過在P+集電區(qū)內(nèi)引入N型摻雜條,調(diào)節(jié)集電極空穴注入效率,從而降低H件的關(guān)斷時間。結(jié)果表明,在正向飽和導(dǎo)通壓降為1.25 V時,相比于Semi SJ-IGBT器件,新型器件的關(guān)斷功耗闡氏了約37.03%。因此,器件性能也能得到有效改善。
[Abstract]:Insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) as the field of power electronics in the 'typical switching device with high input impedance, conduction voltage, driving advantages of small power, the switching power supply, household appliances, rail transportation and other fields are playing an increasingly important role. However, the traditional IGBT there is conduction voltage drop and turn off the contradiction between power. How to effectively improve the tradeoff between device turn-on voltage drop and turn off power is always a difficult problem in IGBT design. In order to solve this problem, based on IGBT theory, through the introduction of the device in the drift region of super junction (Super Junction SJ) structure, purpose to further improve the comprehensive performance of IGBT. The SJ-IGBT device is simulated and Tron systematically using Medici TCAD software, the specific contents are as follows: first, analyzes the working principle of SJ-IGBT device Study on the column width, thickness, doping concentration, influence of static and dynamic characteristics of the device. When the P column and N column to keep the charge balance, the breakdown voltage characteristics is better than that of FS-IGBT. when the P column and N column charge imbalance, the breakdown voltage will decrease, and the decreased amplitude has great relationship with column area doping the concentration of positive conduction current of the device. The transport model of column doping concentration and FS layer doping concentration, existence of unipolar and bipolar transport mode E results show that the positive saturation voltage drop is 1.6V, SJ-IGBT device shutdown power consumption is reduced by about 39.96%. so that the FS-IGBT device, super junction structure can to effectively improve the performance of the device. Second, analysis of the semi super junction IGBT (Semi SJ-IGBT) device characteristics. The results show that with the increase of the thickness of the column, the breakdown voltage is increased. At the same time, the device turn-on voltage drop is easily affected by the doping concentration of the column. The lower Semi SJ-IGBT conduction drop, were studied with Semi SJ-IGBT device characteristics of N barrier layer. The results show that the N barrier g Yue play an effective role in reducing device conduction drop. Third, based on Semi SJ-IGBT structure, this paper presents a novel Semi SJ-IGBT structure with the electron extraction channel. The bottom of the structure has a NPN transistor in turn off process, NPN transistor can provide channels for the extraction of electron carriers, raise the turn off speed of devices, to reduce the shutdown power consumption. The results showed that the positive saturation voltage drop is 1.25V, the new device power consumption is off the Semi SJ-IGBT device is reduced by about 40.03%. so the device can be effectively improved. Fourth, based on Semi SJ-IGBT structure, and proposes a new Semi with SJ-IGBT structure. The structure of the N doped by P+ in the collector region The introduction of N type doping, adjusting the injection efficiency of the collector cavity, thereby reducing the off time of H. The results showed that the positive saturation voltage drop is 1.25 V, compared to Semi SJ-IGBT devices, new devices shut off the power's interpretation about 37.03%. so the device performance can be effectively improved.

【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN322.8

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本文編號：1388836