高速IGBT关断特性与新结构研究

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IGBT作为电力电子领域的核心功率器件之一,具备驱动功率低,输入电阻高、耐压能力强、导通压降低及电流处理能力强等一系列优点。但关断时存在较长的拖尾电流,关断速度较慢。实现IGBT器件的快速关断有利于其向中高频应用领域的拓展,也能通过减小关断损耗来缓解Von与Eoff之间的矛盾关系。常见提高关断速度的措施如短路阳极、减薄漂移区及减小载流子寿命等。这些措施虽能有效地加快器件关断,但也伴随着负面效应,如短路阳极常伴随的Snapback现象和超薄顶层硅器件的导通压降大、电流能力弱等。针对以上问题,本文基于不同策略提出两种快速关断IGBT新器件:1.提出一种具有双载流子抽取通路的快速关断LIGBT器件。主要特征有:阳极侧引入了P型多晶填充的阳极槽及两槽之间的N-区域组成的自适应电阻(Self-Adaptive Resistance,SAR)结构,阴极侧引入接与阴极短接并与P+阴极区紧靠的空穴积累槽(Hole Accumulated Trench,HAT)结构。器件关断时,漂移区内的过剩电子和空穴分别被SAR和HAT结构快速抽取,器件从而实现快速关断。同时,SAR结构还可以有效地消除Snapback现象,减小导通电阻及增强器件的耐压能力;HAT结构通过增强抗闩锁能力而提升了其短路耐受能力。经仿真验证,在相同Von下,仅有SAR结构的LIGBT器件的Eoff相比MSA、STA及SA-NPN LIGBT分别减少了20.6%、28.1%及30.5%;在相同Eoff下,Von较SSA LIGBT减少了27.2%。而对于仅有HAT结构的LIGBT器件,相同的Von下,Eoff相比Con LIGBT下降了55.4%;相同Eoff下,导通压降Von相较于SSA LIGBT改善了17.4%;其短路耐受时间较之于SSA和Con LIGBT结构分别提升了325%和77.9%。对于拥有SAR和HAT两种结构的新器件,对比仅有SAR和HAT结构的LIGBT器件,在相同Von下,Eoff分别改善了27.8%和39.1%,其短路耐受时间也分别延长了256.6%和91.5%。2.提出一种具有载流子存储层的T型三栅超薄SOI LIGBT器件。主要特征有:采用超薄顶层硅、阴极一侧引入T型平面栅及双L型槽栅的三栅结构(T-type Triple Gate,T-TG)、引入被T-TG结构包围的载流子存储层(Carrier Storage Layer,CSL)。两个结构的存在极大地提升了器件的电流能力和漂移区载流子浓度,使得IGBT器件在取得极快关断速度的前提下,也拥有较小的Von。经仿真验证,在栅压VG=8V时,相比于Con LIGBT,新器件的饱和电流密度提升了29.03%。相同的Von下,对比CS和Con LIGBT新器件的Eoff分别降低了35.09%和54.12%。
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