本文關(guān)鍵詞：新型大功率絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

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【摘要】：一代器件技術(shù)決定一代電力電子技術(shù),每一代新型電力電子器件的出現(xiàn),總是帶來(lái)一場(chǎng)電力電子技術(shù)的革命。絕緣柵雙極晶體管作為最有現(xiàn)實(shí)價(jià)值的電力電子器件,具有開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)節(jié)能、新能源發(fā)電、輸變電、電能質(zhì)量,軌道交通、冶金化工、新能源汽車(chē)、國(guó)防、智能電網(wǎng)和直流微網(wǎng)等行業(yè)。絕緣柵雙極晶體管器件作為電力電子器件的重要成員,其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門(mén),毫無(wú)疑問(wèn),它將成為21世紀(jì)重要關(guān)鍵技術(shù)之一。本文綜述了絕緣柵雙極晶體管的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀,并采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念實(shí)驗(yàn)研究了3300 V增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管。同時(shí),在理論與實(shí)踐結(jié)合的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新地提出了新型高速絕緣柵雙極晶體管和新型高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管,并對(duì)這兩類(lèi)高性能絕緣柵雙極晶體管進(jìn)行了全面且深入的研究。以上高壓、高速和高導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管的主要研究?jī)?nèi)容概述如下。首先,本文設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究了3300 V增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管。從引入絕緣柵雙極晶體管的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和可靠性三角折衷設(shè)計(jì)開(kāi)始,深入分析了增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管的理論設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)和芯片測(cè)試,并通過(guò)芯片制造試驗(yàn)驗(yàn)證了該高壓絕緣柵雙極晶體管設(shè)計(jì)的正確性。增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管的試驗(yàn)研究分為理論設(shè)計(jì),包括擊穿電壓、閾值電壓、正向壓降、關(guān)斷時(shí)間等;仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),包括擊穿特性、轉(zhuǎn)移特性、傳輸特性、動(dòng)態(tài)特性和可靠性等電氣性能;工藝設(shè)計(jì),對(duì)仿真設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行了工藝模擬和優(yōu)化;版圖設(shè)計(jì),包括設(shè)計(jì)晶圓制造的光刻版圖;芯片試驗(yàn),設(shè)計(jì)的工藝在產(chǎn)線中試驗(yàn);芯片測(cè)試,測(cè)試結(jié)果是對(duì)設(shè)計(jì)和制造正確性的驗(yàn)證。其次,本文提出了一種新型高速絕緣柵雙極晶體管。該新型高速絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)思想是通過(guò)形成集電極溝槽的電子溝道抽取過(guò)量電子而達(dá)到高速關(guān)斷的目標(biāo)。理論分析表明該集電極溝槽型絕緣柵雙極晶體管的阻斷原理、傳輸機(jī)制、動(dòng)態(tài)機(jī)制和雪崩機(jī)制均有對(duì)比傳統(tǒng)溝槽場(chǎng)截止絕緣柵雙極晶體管的優(yōu)勢(shì)。仿真驗(yàn)證表明該集電極溝槽型絕緣柵雙極晶體管具有比傳統(tǒng)溝槽場(chǎng)截止絕緣柵雙極晶體管快74%的開(kāi)關(guān)速度和更低的關(guān)斷損耗,改進(jìn)型集電極溝槽絕緣柵雙極晶體管快49%,并保持幾乎相同的擊穿電壓、電流密度和閾值電壓,驗(yàn)證了提出的設(shè)計(jì)思想。最后,本文提出了一種新型高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管。該新型準(zhǔn)晶閘管高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)思想是通過(guò)在絕緣柵雙極晶體管的P型基區(qū)與發(fā)射極金屬之間形成肖特基接觸勢(shì)壘以阻止空穴電流的分流,從而達(dá)到增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的目標(biāo)。仿真研究了該器件的主要電氣特性,包括阻斷特性、轉(zhuǎn)移特性、傳輸特性、動(dòng)態(tài)特性、關(guān)斷損耗、閉鎖特性和反向安全工作區(qū)。仿真結(jié)果展示該準(zhǔn)晶閘管高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管的電流密度具有比傳統(tǒng)溝槽場(chǎng)截止絕緣柵雙極晶體管高53%、關(guān)斷損耗低27%,改進(jìn)型準(zhǔn)晶閘管高導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管的電流密度高76%、關(guān)斷損耗低34%,并保持幾乎相同的擊穿電壓和閾值電壓等,因而驗(yàn)證了該肖特基接觸絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)思想。因此,本文不僅設(shè)計(jì)和研制了3300 V的增強(qiáng)型高壓絕緣柵雙極晶體管器件,而且在國(guó)外對(duì)絕緣柵雙極晶體管核心器件技術(shù)壟斷的背景下創(chuàng)新性的提出了兩類(lèi)高性能絕緣柵雙極晶體管,為掌握真正自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的絕緣柵雙極晶體管器件設(shè)計(jì)和研制技術(shù)具有一定的意義。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN322.8

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 葉立劍;鄒勉;楊小慧;;IGBT技術(shù)發(fā)展綜述[J];半導(dǎo)體技術(shù);2008年11期

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本文編號(hào)：1287317