功率MOSFET抗SEB能力的二维数值模拟

在分析了单粒子烧毁(SEB)物理机制及相应仿真模型的基础上,研究了无缓冲层MOSFET准静态击穿特性曲线,明确了影响器件抗SEB能力的参数及决定因素.仿真研究了单缓冲层结构MOSFET,表明低掺杂缓冲层可提高器件负阻转折临界电流,高掺杂缓冲层可改善器件二次击穿电压,据此提出一种多缓冲层结构,通过优化掺杂浓度和厚度,使器...     

IGCT载流子寿命分布特性及参数提取方法研究

集成门极换流晶闸管(IGCT)物理模型中载流子寿命与器件动静态特性有着密切联系。现有基于器件关断拖尾电流的载流子寿命参数提取方法,假设关断拖尾电流的衰减主要取决于基区载流子的复合而忽略了阳极电子电流的影响,但IGCT采用透明阳极结构增强了关断时阳极电子的抽离,因此将该方法应用于IGCT存在不足。本文基于掺杂浓度依赖的载流子寿命模型和肖克莱-里德-霍尔(SRH)复合模型,分析了不同区域下载流子寿命的耦合关系;当透明阳极厚度远小于少子扩散长度,将透明阳极侧PN结等效为短二极管,分析了其少数载流子和电流分布特性,并由此提出载流子寿命参数提取的改进方法。最后,根据载流子等效寿命随外加电压变化的特性,实验提取了不同区域下的载流子寿命参数,通过器件双脉冲仿真及实验结果对比验证了参数提取结果的有效性。     

高压IGBT在di/dt缓冲电路中的短路特性

di/dt缓冲电路中较高的开通电感使IGBT短路特性在两种短路模式下有明显的不同,由于短路开通时集电极-发射极电压的急剧减小,IGBT短路模式一中的特性变得格外重要,而且还引起VCE变陡峭的去饱和过程。本文描述了该失效模式中IGBT特性,并给出了快速检测这种失效的两种备选方案。利用大面积高压压封IGBT模块及单IGBT芯片进行验证测试。     

直流微网混合式直流断路器电流转移特性研究

混合式直流断路器的电流转移特性对其快速开断及控制策略有着重要意义,文中通过分析混合式直流断路器的工作原理,利用Mayr电弧模型、IGBT、RCD缓冲电路和避雷器模型等建立了混合式直流断路器仿真分析模型,分析了不同外电路参数和转移支路参数下的电流转移特性。搭建了直流微网模拟短路试验平台,进行了混合式直流断路器的开断特性试验,重点研究了电压400 V,不同故障电流(低于200 A)及不同参数下的电流转移特性。试验结果验证了仿真分析模型,为后期快速开断的直流微网混合式断路器提供了可参考的依据。     

针对场截止型功率器件的多重质子注入研究

针对场截止型功率器件的开发,进行了质子在硅中多重注入的关键工艺研究。质子注入后经过400℃的退火激活,在硅衬底中形成了n型掺杂。当注入能量分别为0.5 MeV、0.8 MeV和1.15 MeV时,对应的浓度峰值位置分别集中在6.0μm、11.5μm和19.6μm附近。对注入后的载流子浓度分布进行拟合,发现单次注入的杂质分布近似于高斯分布函数。通过对比,发现质子注入后的载流子浓度分布接近英飞凌IGBT的场截止层浓度分布。本研究为下一步确定场截止型器件的工艺条件提供了重要的参考。     

LDD MOS器件模拟及热载流子效应分析

在深亚微米的工艺条件下,随着栅氧厚度、结深、沟道长度的减小,漏端最大电场强度增大.热载流子效应的影响变大,它对器件的寿命、可靠性等有很大影响.因此,要得到一个最佳的器件性能,通过对热载流子效应的分析,特别是通过对LDD MOS器件的模拟,分析了轻掺杂漏对热载流子效应的抑制作用,以及轻掺杂源漏的注入剂量和能量对器件的影响.通过分析我们可以看到:LDD结构通过两条途径来抑制热载流子效应:弱化漏端电场和使得漏端最大电场离开栅极.增大注入剂量对于提高电流驱动能力有好处,但在剂量达到约1x1013cm-2以后,驱动电流的增加就显得困难.最后我们得出n-区掺杂浓度1x1013-2cm附近.注入能量定为30keV时器件性能最佳.     

压接式IGBT在电力系统应用特性分析

高压大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件主要包括模块式和压接式两种封装类型的器件,模块式IGBT器件在国内已经得到广泛应用;压接式IGBT器件具有双面散热特性、短路失效模式等优良的特性,尤其适用于串联型电压源换流器场合,在电力系统应用领域具有独特的优势。在串联应用时,需要重点考虑串联电压平衡控制、短路保护、抗电磁干扰设计等因素。     

快恢复二极管正向浪涌电流特性研究

首先介绍电网中所用的快恢复二极管正向浪涌电流测试原理及方法,试验研究器件有源区结构、阳极区杂质补偿及载流子寿命控制方式对正向浪涌电流的影响。测试结果表明采用低阳极发射效率有源区结构的器件所能够承受的正向浪涌电流等级低于常规有源区结构器件;提高阳极区杂质补偿注入剂量能够提高二极管正向浪涌电流;与全局寿命控制方式相比,采用局域寿命控制方式制备的二极管具有更强的抗正向浪涌电流的能力。     

1200V/36 A SiC MOSFET短路特性的实验研究

短路能力是衡量功率半导体器件(IGBT、SiC MOSFET等)性能的重要指标,然而SiC MOSFET的短路性能还没有得到充分的研究。为掌握SiC MOSFET在短路工况下的特性,设计一套SiC MOSFET非破坏性短路测试实验平台,从短路脉冲宽度、栅源极电压UGS、栅极电阻RG、漏源极电压UDS、杂散电感LS、壳温度TCASE等方面对1 200 V/36 A SiC MOSFET的短路特性进行全参数实验,综合评估和分析SiC MOSFET器件在不同参数下发生短路的开关瞬态特性。     

高频正弦波电流下IGBT能带结构和开关特性分析

基于能带理论--载流子浓度分布与电极距离函数的宏观体现,该文提出了一种IGBT在高频正弦波电流及零电流开关条件下开关动态特性的分析方法。首先介绍了功率器件在实际电路中的工作条件,其次提出了IGBT的能带结构图,并通过对独立元件、稳态及暂态时的能带图的分析比较,得出开关动态特性,并给出开关时刻的电压电流初值及能带图;实验结果也验证了IGBT在高频正弦波电流下零电流开关的开关特性;根据这个特性,文章采用随谐振电流大小微调开关频率的方法,来实现功率管电压过冲的完全抑制。     

适用于复杂电路分析的IGBT模型

推出一种适用于复杂电路仿真分析的绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模型。模型分阶段模拟IGBT的开关瞬态过程,并采用曲线拟合的方式实现对IGBT稳态特性的建模。模型具有计算速度快、参数提取容易、物理概念明确的特点。描述模型的等效原理、构成和参数提取过程,并在PSIM软件包下建立其等效电路。以FF300R12ME3型IGBT为例给出了模型参数,并将模型应用于IGBT的开关特性分析、缓冲吸收电路设计以及IGBT的并联运行分析。仿真和实验结果对比证明了该模型的有效性。     

逆导型IGBT电压回跳现象在电路应用中的影响分析

逆导型IGBT（RC-IGBT）是一种新型功率半导体器件，实现了IGBT和续流二极管的片内集成，具有体积小、成本低、功率密度高、正温度系数、良好的功率循环能力和关断特性等诸多优势。RC-IGBT正向导通时存在电压回跳现象，建立物理模型详细分析其产生机理及影响因素，得出了缓冲层掺杂浓度是决定回跳电压大小的重要因素。进一步通过控制变量法，利用TCAD仿真软件，从导通特性、并联均流特性和开关特性三个方面详细测试，分析了具有不同程度回跳现象的RC-IGBT在实际电路应用中的影响。通过合理的参数选择，可将回跳电压控制在可接受的范围内，并提高了器件的综合性能，为RC-IGBT设计优化和实际应用提供了有价值的参考和理论指导。     

掺杂层对非晶硅异质结太阳电池特性影响的研究

近非晶硅/单晶硅异质结太阳电池因其较大的技术优势而受到广泛关注,但由于器件结构较为复杂,引入了较多的界面缺陷,即使沉积的薄膜具备良好的光电特性,所制备出的器件也不一定有高的转换效率。通过对p型及n型非晶硅沉积层分别进行掺杂,根据实验结果,随着掺杂浓度的增加,非晶硅层的钝化质量逐渐降低,界面上缺陷态密度逐渐增加,且掺杂气体PH3比B2H6可更好地掺入到薄膜中。分别采用p型及n型非晶硅层制作成异质结太阳电池,通过电池特性参数可以推断出:当掺杂量足够高到可以产生足够的场效应来推动载流子运输,并且足够低到可以避免产生过多缺陷时,电池性能最佳。此外,研究还发现:n型非晶硅层更适合做电池背表面场,而p型非晶硅层更适合做电池正面。     

逆导型IGBT发展综述

该文概述垂直型RC-IGBT自发明以来的主要发展和当前的主要研究问题,包括:IGBT正向输出特性的Snap-back抑制、RC-IGBT关断及二极管反向恢复动态波形优化、器件纵向漂移区载流子浓度分布优化、器件横向载流子密度及电场分布均匀性优化、器件工作时的温度特性、工艺问题及器件仿真问题等。文中同时简要介绍ABB、英飞凌、三菱及富士推出的最新一代逆导型IGBT器件的器件特性及结构特征。     

计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估

作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的高可靠性是系统稳定运行的重要保证,准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应,易高估器件寿命。针对该问题,该文提出计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估模型,该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特性反馈效应。首先,基于IGBT模块三维电–热–力多物理场耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异;其次,提出基于Cauer模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中IGBT模块的寿命评估。     

压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取

压接式IGBT模块具有散热性能好、杂散电感小、短路失效直通等特点,在柔性直流输电等大容量电力电子变换系统中具有极为重要的应用潜能。然而,目前学术界和工业界尚未很好地理解压接式IGBT模块的动态开关特性,严重制约了其推广应用。从压接式IGBT的封装结构和电气特性出发,基于双脉冲测试原理,设计并搭建压接式IGBT模块的动态开关特性测试平台。采用Ansoft Q3D软件对测试平台的杂散参数进行仿真,分析杂散参数的分布特征、影响与提取方法,并通过实验进行验证,揭示叠层母排技术与吸收电容对器件关断电压尖峰的抑制作用,低寄生电感总和验证了平台设计方案的合理性。     

基于载流子抽取模型的Trench Gate/Field-stop IGBT驱动器有源箝位功能分析

针对Trench gate/Field-stop IGBT结构特有的关断过程中集电极电流下降率不可控问题,引入了载流子抽取模型来模拟器件关断过程中的集电极电流下降阶段器件内部载流子的动态行为特性,并以此为基础分析了驱动器为适应Trench gate/Field-Stop IGBT结构这种关断特性而引入的有源箝位功能的作用机理,验证了载流子抽取模型在器件级与电路级交互作用分析中的实用性,为后续实现器件与电路的最佳匹配奠定了基础。     

单结InxGa1-xN太阳电池特性的研究

采用第一性原理和电子连续方程方法,研究了p层厚度和In的掺杂浓度对单结In_xGa_(1-x)N太阳电池性能的影响。计算结果表明:p层厚度从0.05μm增加到0.07μm,In0.1Ga0.9N电池的转换效率缓慢增大;当p层厚度从0.07μm逐渐增大到0.25μm时,太阳电池的转换效率逐渐减小。当In掺杂浓度在0.5～0.7范围内逐渐增大时,短路电流密度逐渐增大,开路电压逐渐减小。当In的掺杂浓度为0.63时,转换效率达到最大,为19.80%,填充因子为0.82。因此,通过调节p层厚度和改变In掺杂浓度的方法可以提高单结InxGa1-xN太阳电池的光电特性。     

一种基于集总电荷的大功率PIN二极管改进电路模型

提出了一种基于集总电荷建模方法的大功率PIN二极管改进电路模型。传统的集总电荷模型使用有效载流子寿命模型,未考虑载流子寿命和基区电荷浓度之间的关系,导致模型的仿真精度偏低。该文在研究传统PIN二极管集总电荷模型的基础上,首先分析了二极管基区载流子寿命随注入浓度和温度的变化规律,并提出了载流子寿命随浓度和温度变化的集总电荷模型。然后,基于提出的载流子寿命模型建立了改进的PIN二极管集总电荷电路模型,并加入模型物理参数的温度函数,实现了模型对不同温度下PIN二极管通态和瞬态特性的表征,并在PSPICE仿真平台中实现了该模型。最后,用1 700 V/1 000 A IGBT模块中反并联续流二极管对模型进行了实验,仿真和实验结果对比验证了该模型的准确性。     

IGBT开关瞬态的温度特性与电热仿真模型

由于半导体的材料特性随温度的变化发生改变,采用硅材料制造的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作特性受温度的影响也十分显著,开关瞬态过程将随温度发生较大变化。针对不同温度下的开关过程开展了测试实验,发现IGBT的开通与关断瞬态具有不同的温度特性,根据实验现象对IGBT的开关过程进行了分析,得出IGBT开关瞬态的温度特性主要是受载流子寿命影响的结论。对IGBT电热模型的基本原理以及现有模型方法进行了分析,根据实验中得出的结论,提出了一种改进的IGBT电热模型。基于该模型对IGBT关断时的电流拖尾过程以及整个开关瞬态过程开展了电热仿真分析,通过仿真波形与实测波形的比较,验证了实验中得出的结论以及该模型的准确性。