横向电阻区对IGBT过电流关断能力的影响研究

针对绝缘栅双极晶体管(IGBT)在过电流关断测试中被烧毁的问题,设计了三种不同的横向电阻区结构。为了分析器件的失效机理,研究不同结构横向电阻区对过电流关断能力的影响,借助Sentaurus TCAD仿真工具构建了器件模型,模拟了器件的整个过电流关断过程。对三种结构器件在过电流关断过程中的内部关键物理参量的变化情况进行分析,发现不同长度的横向电阻区对空穴的抽取效率不同,进而可以影响到电流密度分布。当电阻区增加到一定长度时,可以有效提升过电流关断能力,避免器件烧毁失效。     

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.     

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 2 5 %的耐压     

场板结构对AlGaN/GaN HEMT温度场的影响北大核心CSCD

用Silvaco的ATLAS软件仿真研究了场板结构对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的温度场分布的影响,分析了场板结构影响器件温度场分布的可能因素。模拟结果表明,加入场板结构后,器件沟道二维电子气浓度减小,电场分布发生变化,器件栅极漏侧边缘处的沟道峰值温度降低。加入栅场板和源场板结构后,场板边缘处都有一个新的温度峰值出现,器件的沟道温度峰值在加入单层和双层栅场板及源场板后由511K分别下降到487、468和484K,这种降低作用会随着栅场板层数的增加而有所增强。仿真结果说明场板结构通过改变AlGaN/GaN HEMT器件沟道载流子浓度和电场分布,影响器件内部的温度场分布。优化器件的场板结构是提高AlGaN/GaN HEMT的可靠性有效途径之一。     

低能量He离子注入局域寿命控制LIGBT的实验研究

提出了一种采用低能量大剂量He离子注入局域寿命控制的高速L IGBT,并对其进行了实验研究.粒子辐照实验结果显示与常规的L IGBT相比较,该器件的关断时间和正向压降的折中关系得到了改善.同时研究了当局域寿命控制区位于p+ - n结附近,甚至在p+阳极内时,该器件的正向压降和关断时间.结果显示当局域寿命控制区在p+ 阳极内时,仍然对关断时间和正向压降有影响     

表面电场对3DK9开关晶体管可靠性影响的研究

针对3DK9开关晶体管在应用中出现表面漏电失效的具体案例进行分析研究.该器件的设计在基极场板边缘处同时出现金属化台阶和表面尖峰电场,这是影响器件可靠性的重要因素.针对原器件结构的缺陷,提出了一种新的器件结构,即采用结终端扩展技术代替基极场板.新结构不仅大大降低了表面尖峰电场,而且避免了金属化台阶与高电场出现在同一区域的情况,从而提高了器件可靠性.     

浮空p柱结构的超结IGBT器件的设计

针对传统结构超结IGBT器件在大电流应用时的电导调制效应较弱,削弱了IGBT器件低饱和导通压降优点的问题,设计了p柱浮空的超结IGBT器件(FP-SJ-IGBT)。采用深槽刻蚀和回填工艺制备了p柱和p体区分离的超结IGBT器件。测试结果表明,该器件击穿电压高于660 V,在导通电流20 A时,其饱和导通压降为1.7 V,相比于传统超结IGBT器件更低,关断能量为0.23 mJ,远低于传统超结IGBT器件的3.3 mJ,较低的导通压降和关断能量使得FP-SJ-IGBT器件的电流密度可达449 A/cm²。此外,在400 V直流母线电压下,FP-SJ-IGBT器件具有不低于10μs的短路时间。     

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。     

超宽禁带半导体α-Ga2O3肖特基二极管仿真研究

氧化镓(Ga₂O₃)作为一种新型的超宽禁带半导体材料,与目前常用的半导体材料SiC和GaN相比,具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强等优良特性。设计了一种基于α-Ga₂O₃的垂直型肖特基二极管(SBD),采用场板终端结构降低阳极边缘电场强度,研究了不同绝缘材料下阳极附近的电场分布,并探讨了场板结构与长度对其击穿特性的影响。仿真结果表明,在选取HfO₂作为α-Ga₂O₃垂直型SBD场板结构的绝缘材料时,场板结构可以增大该器件的反向击穿电压,最大反向击穿电压可达约1 100 V,对于现实中制备α-Ga₂O₃ SBD具有非常重要的参考意义。     

IGBT modules robustness during turn-off commutation

The behaviour in terms of robustness during turn-off of power IGBT modules is presented. The experimental characterisation is aimed to identify the main limits during turn-off in power IGBT modules in typical hard switching applications. In this paper an experimental characterization of high power IGBT modules at output currents beyond RBSOA, at high junction temperatures and under different driving conditions is presented. Several devices of different generations, current and voltage ratings have been considered. The experimental characterisation has been performed by means of a non-destructive experimental set-up where IGBT modules are switched in presence of a protection circuit that is able to prevent device failure at the occurrence of any possible instable behaviour. The experimental analysis confirms the very good robustness of high power IGBT modules which can withstand large current overstress well beyond the declared RBSOA limits even at temperatures larger than those one declared by manufacturers. A comparison between IGBT device generation is also presented.     

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...     

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%。     

Dynamic avalanche in bipolar power devices

In bipolar power devices, remaining plasma is extracted during turn-off. In high-voltage devices, even at moderate conditions dynamic avalanche caused by the free carriers appears. Strong dynamic avalanche leads to filament formation. The effect must not be destructive as long as the filaments can move. Effects which are common in the bipolar devices GTO, GCT, IGBT and power diode are investigated, and specific effects of each device are considered. In every case, the decisive effects for dynamic avalanche sustainability happen at the junction opposite to the blocking pn-junction.     

一种可快速关断的新型横向绝缘栅双极晶体管

提出了一种可快速关断的新型横向绝缘栅双极晶体管(LIGBT)。在LIGBT关断时,利用一个集成的PMOS晶体管来短路发射结,以获得短的关断时间。PMOS晶体管由LIGBT驱动,不需要外部驱动电路。新器件在没有带来任何副作用(如snap-back现象和工艺制造上的困难)的情况下,获得了低的导通压降和快的关断速度。数值仿真结果表明,新器件在不增加导通压降的同时,将关断时间从120ns降到12ns。     

Ruggedness analysis of 3.3 kV high voltage diodes considering various buffer structures and edge terminations

Buffer structures and edge termination have a decisive influence on the static and dynamic characteristics of free-wheeling diodes. In this paper the influence of buffer structures at the cathode side, the influence of the design of the edge termination and of a resistive zone at the anode side are analysed with respect to the ruggedness of free-wheeling diodes. Therefore, we investigated the device behaviour by means of numerical device simulation concerning the formation of current filamentation and the correlated shape of the electrical field distribution. The considered edge termination of the diodes was planar junction termination extensions and a beveled edge. Various buffer structures, a Gaussian buffer and a buried n-doped layer of increased doping called epitaxy level buffer are compared with a reference diode without any buffer structure.     

新型三相谐振极软开关逆变器

为提高三相逆变器的转换效率,提出了一种新型三相谐振极软开关逆变器拓扑结构,通过在每相桥臂上增加结构简单的辅助电路,实现了主开关的零电压软开通和零电流软关断.逆变器主开关采用金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）或者绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）时,都能实现无损耗切换,解决了MOSFET内部结电容造成的容性开通损耗问题和IGBT拖尾电流造成的关断损耗问题.分析了电路的工作过程,实验结果表明开关器件完成了软切换.因此,该拓扑结构对于提高逆变器的性能具有重要意义.     

IGBT dynamics for clamped inductive switching

Clamped inductive switching performance of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) have been studied in detail with the aid of extensive measurements and numerical simulations. Internal dynamics of a latch-up free punch-through IGBT during clamped inductive switching is studied using two-dimensional (2-D) mixed device and circuit simulations incorporating the self-heating mechanism. Failure of IGBT during inductive load turn-off is shown to occur due to thermally assisted carrier multiplication at the reverse biased p-base n-drift region junction under the emitter contact