高压RC-IGBT器件Snapback现象与新结构研究

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逆导型IGBT,即RC-IGBT(Reverse Conducting IGBT)是在IGBT的基础上,将续流二极管(Freewheeling Diode,FWD)与IGBT集成到同一硅片上制备而成的,从而具备反向导电的能力。RC-IGBT相比传统的IGBT模块,具备尺寸小、成本低以及稳定性好等优势,但同时也存在Snapback效应以及引入更复杂的性能折衷关系等问题。本文针对RC-IGBT器件的Snapback效应和集成二极管的反向恢复特性展开研究,建立了相关数学模型,提出了一种新型RC-IGBT器件结构,在抑制了Snapback现象的基础上优化了器件集成二极管的反向恢复损耗。本文的主要研究工作包括:(1)建立了描述RC-IGBT器件Snapback效应的数学模型,并从Snapback效应的数学模型出发通过仿真实验探究了器件各区域结构参数的改变对于Snapback效应的影响,最终得出抑制Snapback效应最实际有效的结构改进方法。(2)建立了RC-IGBT集成二极管的反向恢复损耗模型,并结合步进式模型得出RC-IGBT器件集成二极管的反向恢复损耗与P型发射区掺杂浓度间的关系。(3)提出了一种部分P型发射区缩短的RC-IGBT(Partially Shortened Emitter RC-IGBT,PSE RC-IGBT)新结构。基于上述所建立的集成二极管反向恢复损耗模型,仅缩短RC-IGBT器件假栅两侧的P+型发射区的长度以降低器件的部分P型掺杂浓度,从而在不影响IGBT性能的前提下减小集成二极管的反向恢复电流峰值和反向恢复损耗,并通过仿真实验验证了PSE RC-IGBT的改善效果以及器件的其它重要静动态性能并未受到影响。综上所述,本文主要研究了RC-IGBT器件的Snapback现象以及反向恢复损耗,通过仿真实验得出了抑制Snapback效应最实际有效的解决方法,并提出了一种新型RC-IGBT结构改善了集成二极管的关断损耗。并使用TCAD仿真验证了所提出新结构PSE RC-IGBT集成二极管的反向恢复损耗改善效果为19.9%。
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