一种具有低寿命区的阳极短路4H-SiCIGBT仿真研究

传统沟槽型4H-SiC IGBT中关断损耗较大,导通压降和关断损耗难以折中.针对此问题,文中提出了发射极区域含有低寿命区,同时集电区引入阶梯型集电极的LS-IGBT结构来降低器件的关断损耗.通过同时控制集电区注入的空穴载流子数量和P基区载流子的寿命,在基本维持器件击穿电压的前提下降低器件的关断损耗.使用Silvaco ...     

一种带有超结浮空层的槽栅场阻IGBT

本文提出了一种带有超结浮空层的槽栅场阻IGBT,它具有高的击穿电压(>1200V),低的正向压降和快速的关断能力。高掺杂的 SJ 浮空层在阳极侧引入了电场峰的同时优化了器件内载流子分布,带来关态击穿电压提高,开态、开关态能量损耗减少等好处。在保持电荷平衡的前提下,增加 SJ 浮空层的厚度可以提高击穿电压和降低正向压降,降低 P 型阳极浓度可以减少关断损耗。与传统结构相比,新结构击穿电压提高了100V,正向压降降低了0.33V（电流密度为100A/cm2）,关断时间缩短了60%。     

具有P型浮空层的新型载流子存储槽栅双极晶体管

文中提出了一种具有P型浮空层的载流子存储槽栅双极晶体管。引入P型浮空层,可以增加载流子存储层厚度和掺杂浓度,有效地提高了近发射极的电导调制作用,降低积累层电阻和扩展电阻,使得导通损耗大大减小。同时,P型浮空层改善了传统结构中的电场分布,提高器件击穿电压。仿真结果表明：新结构较传统槽栅IGBT和载流子存储槽栅双极晶体管正向导通压降分别降低约20%和17%,正向阻断电压提高了100V以上,且没有使得短路安全工作区（SCSOA）减小。     

1700 V精细沟槽栅IGBT器件设计

为了改善绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件关断损耗和导通压降之间的折中关系,同时降低器件制造成本,基于1 700 V电压平台设计了一种采用精细沟槽栅结构的IGBT。采用TCAD软件进行仿真,研究衬底电阻率、衬底厚度、沟槽栅深度、沟槽栅宽度、载流子存储层注入剂量、沟槽栅元胞结构等因素对精细沟槽栅IGBT器件性能参数的影响,确定了最优工艺参数,并对1 700 V精细沟槽栅IGBT芯片进行流片和封装。测试结果显示,相比普通沟槽栅IGBT模块,1 700 V精细沟槽栅IGBT模块在芯片面积减小34.2%的情况下,关断损耗降低了8.6%,导通压降仅升高5.5%,器件性价比得到了优化。     

一种双发射极沟槽栅超结IGBT

本文对传统沟槽栅超结IGBT进行了改进,得到一种沟槽栅双发射极超结IGBT,本结构第一个发射极区域和传统IGBT结构一样能够发射电子、接收空穴,在p型柱顶部的第二个发射极区域能够起到空穴分流的作用,在有效地提高器件抑制闩锁的能力的同时,保持了超结IGBT器件的高击穿电压(BVoff)和低关断损耗(Eoss)。仿真显示在VGE=10V的条件下,改进结构的闩锁电流从15000A/cm2 提升至 28300A/cm2,器件的击穿电压为810V,在导通压降为1.2V的条件下,关断损耗为6.5 mJ/cm2。     

基于高压大电流模块应用的3300V软穿通快速IGBT的设计

设计了3 300V/50A的软穿通型IGBT芯片(SPT IGBT),利用数值仿真软件MEDICI对其各项特性进行了仿真研究,包括静态特性、开关特性、动态雪崩特性、短路特性、电容特性和闩锁特性,在满足设计需求的同时重点进行动态失效特性仿真,验证了该器件的可靠性。仿真结果显示,器件的额定工作电流为50A、正向阻断电压为4 178.8V、阈值电压VTH为7.8V、导通压降为2.67V、短路电流为857A、工作电流为100A时的雪崩耐量为1.755J。利用局域载流子寿命控制的方法对器件进行优化后,器件的正向阻断电压仍为4 178.8V,导通压降为4.13V,没有明显的改变,关断时间由6 725.75ns降低到了1 006.49ns,关断速度提高了568%,大大提高了器件的性能,降低了损耗。     

具有沟槽阳极短路的新型沟槽栅场截止绝缘栅双极晶体管

文章提出了一种新型的具有沟槽阳极短路的槽栅场截止型绝缘栅双极晶体管结构。通过引入沟槽短路阳极结构,器件的击穿电压得到了明显提高。仿真结果显示,相比于传统的场截止型绝缘栅双极晶体管,新结构提高了19.5 %的击穿电压,而且新结构具有更小的漏电流。在电流密度为150 A/cm2 时,新结构虽然提高了近百分之九的导通压降,但是关断时间只有传统结构的一半。此外,新结构导通时没有负阻效应。因此,新结构具有更好的关断功耗与导通压降的折中关系。     

一种新型高发射效率的阳极短路IGBT

提出了一种新型的双发射短接的阳极短路IGBT结构,该结构有两个空穴放射区和二氧化硅阻挡层。首先,第二发射区可以增加空穴的发射效率同时阻止电子直接流向金属,增加了阳极上的电阻和电压,有效的抑制了负阻效应;另一方面,二氧化硅阻挡层使得大量电子聚集在阳极区附近,进一步降低了导通压降。结果表明：相对于传统NPT IGBT, NPN-IGBT和阳极短路IGBT,导通压降分别降低了10%, 17%, 30%。另外,这种阳极短路结构由于有一个电子通道,在关断过程中可以像阳极短路结构一样抽取过剩载流子,使得其关断时间很短,在同样的导通压降下关断,相对于传统NPT IGBT,NPN-IGBT和阳极短路IGBT,关断损耗分别降低了43.7%, 32%, 28%。这种新结构最终实现了导通压降和关断损耗之间很好的折中。     

一种低反向恢复电流的无电压回跳RC-IGBT设计

提出了一种无电压回跳的逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)结构,在集电极侧场截止层下方加入了一个N型层作为高阻层且把N+集电区部分替换为P型薄层,通过加入的N型高阻层增加集电极电阻,同时用P型薄层保证在初始导通时集电区的空穴能够在第一时间注入,消除了电压回跳现象,并且使器件的反向恢复电流峰值降低了15 A/cm³,同时改善了器件的关断特性,关断时间减小了103 ns。相较于传统FS RC-IGBT,反向恢复峰值电流降低了33.3%,关断时间减小了9.93%。     

一种低功耗4H-SiC IGBT的仿真研究

针对传统沟槽栅4H-SiC IGBT关断时间长且关断能量损耗高的问题,文中利用Silvaco TCAD设计并仿真了一种新型沟槽栅4H-SiC IGBT结构。通过在传统沟槽栅4H-SiC IGBT结构基础上进行改进,在N ⁺缓冲层中引入两组高掺杂浓度P区和N区,提高了N ⁺缓冲层施主浓度,折中了器件正向压降与关断能量损耗。在器件关断过程中,N ⁺缓冲层中处于反向偏置状态的PN结对N ^-漂移区中电场分布起到优化作用,加速了N ^-漂移区中电子抽取,在缩短器件关断时间和降低关断能量损耗的同时提升了击穿电压。Silvaco TCAD仿真结果显示,新型沟槽栅4H-SiC IGBT击穿电压为16 kV,在15 kV的耐压设计指标下,关断能量损耗低至4.63 mJ,相比传统结构降低了40.41%。     

一种具有部分高介电常数介质调制效应的IGBT

提出了一种具有高介电常数介质填充沟槽的绝缘栅双极晶体管(IGBT).分析了高介电常数介质调制效应.结果表明,与普通场阻型IGBT相比,该器件的击穿电压提高了 8％,通态压降减小了 8％,关断损耗降低了 11％;在相同通态压降下,该器件的关断损耗降低了 35％.在栅极与原HK介质之间增加介电常数更高的介质,进一步提升了该...     

A novel high performance SemiSJ-CSTBT with p-pillar under the bottom of the trench gate

A novel high performance SemiSJ-CSTBT is proposed with the p-pillar under the bottom of the trench gate. The inserted p-pillar with the neighbouring n-drift region forms a lateral P/N junction, which can adjust the electric distribution in the forward-blocking mode to achieve a higher breakdown voltage compared to the conventional CSTBT. Also, the p-pillar can act as a hole collector at turn-off, which significantly enhances the turn-off speed and obtains a lower turn-off switching loss. Although the turn-off switching loss decreases as the depth of the p-pillar increases, there is no need for a very deep p-pillar. The associated voltage overshoot at turn-off increases dramatically with increasing the depth of p-pillar, which may cause destruction of the devices. Plus, this will add difficulty and cost to the manufacturing process of this new structure. Therefore, the proposed SemiSJ-CSTBT offers considerably better robustness compared to the conventional CSTBT and SJ-CSTBT. The simulation results show that the SemiSJ-CSTBT exhibits an increase in breakdown voltage by 160 V (13%) and a reduction of turn-off switching loss by approximately 15%.     

JFET区注入对大功率VDMOS击穿电压和导通电阻的影响

研究了JFET区注入对大功率VDMOS器件击穿电压和导通电阻的影响,分析讨论了JFET区注入影响击穿电压的机理,并定量给出JFET区注入对导通电阻的影响.通过器件数值模拟优化JFET区注入剂量,并根据仿真结果改进器件设计,在满足击穿电压要求的前提下导通电阻降低了8％.     

利用电阻场板提高SOI-LIGBT的性能

通过在SOI-LIGBT中引入电阻场板和一个p-MOSFET结构,IGBT的性能得以大幅提高.p-MOSFET的栅信号由电阻场板分压得到.在IGBT关断过程中,p-MOSFET将被开启,作为阳极短路结构起作用,从而使漂移区的过剩载流子迅速消失,IGBT快速关断.而且由于电场受到电阻场板的影响,使得过剩载流子能沿着一个更宽的通道流过漂移区,几乎消去了普通SOI-LIGBT由于衬偏造成的关断的第二阶段.这两个因素使得新结构的关断时间大大减少.在IGBT的开启状态,由于p-MOSFET不导通,因此器件的开启特性几乎与普通器件一致.模拟结果表明,新结构至少能增加25%的耐压,减少65%的关断时间.     

利用电阻场板提高SOI-LIGBT的性能

通过在SOI-LIGBT中引入电阻场板和一个p-MOSFET结构,IGBT的性能得以大幅提高.p-MOSFET的栅信号由电阻场板分压得到.在IGBT关断过程中,p-MOSFET将被开启,作为阳极短路结构起作用,从而使漂移区的过剩载流子迅速消失,IGBT快速关断.而且由于电场受到电阻场板的影响,使得过剩载流子能沿着一个更宽的通道流过漂移区,几乎消去了普通SOI-LIGBT由于衬偏造成的关断的第二阶段.这两个因素使得新结构的关断时间大大减少.在IGBT的开启状态,由于p-MOSFET不导通,因此器件的开启特性几乎与普通器件一致.模拟结果表明,新结构至少能增加25%的耐压,减少65%的关断时间.     

IGBT关断瞬态电压尖峰影响及抑制

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种性能优良的全控型电力电子器件,由于线路和器件内部分布电感的存在,关断时集电极电流的快速变化会感应产生一个较大的电压尖峰从而引起过电压击穿。分析了栅极结电容放电时间常数和拖尾电流对电压尖峰的影响,通过改变栅极驱动电阻和温度可以抑制电压尖峰。分析了电压尖峰引起过压击穿的失效机理以及失效模式,表明IGBT过压击穿引起失效的本质仍然是结温过高引起的热击穿失效。     

一种注入增强型快速SOI-LIGBT新结构研究

薄顶层硅SOI(Silicon on Insulator)横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated-Gate Bipolar Transistor,LIGBT)的正向饱和电压较高,引入旨在减小关断态拖尾电流的集电极短路结构后,正向饱和电压进一步增大。提出了一种注入增强型(Injection Enhancement,IE)快速LIGBT新结构器件(F-IE-LIGBT),并对其工作机理进行了理论分析和模拟仿真验证。该新结构F-IE-LIGBT器件整体构建在薄顶层硅SOI衬底材料上,其集电极采用注入增强结构和电势控制结构设计。器件及电路联合模拟仿真说明:新结构F-IE-LIGBT器件在获得较小正向饱和电压的同时,减小了关断拖尾电流,实现了快速关断特性。新结构F-IE-LIGBT器件非常适用于SOI基高压功率集成电路。     

关于雪崩结开启电压和关断电压差别的研究

本文详细研究了雪崩结导通电压和关断电压的差别。 当结特征尺度在微米量级时,这个差别将不能忽略, 这个结果与现有报道不一致,并且对对器件参数的正确表征有较大影响。 实验发现当结面积变小时, 这个差别将增大。 本文对该现象进行了分析, 给出了理论解释,认为这个现象是由于结导通的阈值增益随着结面积的减小而增加的缘故。在雪崩渐近电流公式中, 所谓的“击穿电压”实际上应该是雪崩结关断电压。 修正了传统的关于雪崩渐近电流和盖革模式雪崩光电二极管的增益公式。     

一种新N型射极势垒绝缘栅双极晶体管

本文提出了一种新N型射极势垒绝缘栅双极晶体管。该器件用N型轻掺杂区代替传统的P+区形成空穴势垒,以阻止寄生PNP晶体管空穴分流,从而增强电导调制效应。仿真验证结果显示,该器件对比传统沟槽IGBT,其电流密度和关断损耗分别增加和降低了49%和25%,同时具有相似的击穿电压、关断时间和雪崩能量。此外,该器件具有无限大的跨导,有利于开通和关断。因此,该器件可应用于高压大功率电力电子系统。