【摘 要】
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随着电力电子以及信息和通信技术行业的发展,传统硅基功率器件的性能已经不能满足现今高功率密度的应用要求。近年来,碳化硅材料因其具有比传统硅材料更加优异的材料特性而受到广泛关注。在众多碳化硅功率器件中,碳化硅IGBT因其具有驱动简单,导通损耗小,耐压能力高,功率密度高等特点,成为未来功率半导体器件发展的核心器件。本文首先通过运用理论分析了IGBT的工作原理,介绍了IGBT的各类特性,然后利用Senta
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随着电力电子以及信息和通信技术行业的发展,传统硅基功率器件的性能已经不能满足现今高功率密度的应用要求。近年来,碳化硅材料因其具有比传统硅材料更加优异的材料特性而受到广泛关注。在众多碳化硅功率器件中,碳化硅IGBT因其具有驱动简单,导通损耗小,耐压能力高,功率密度高等特点,成为未来功率半导体器件发展的核心器件。本文首先通过运用理论分析了IGBT的工作原理,介绍了IGBT的各类特性,然后利用Sentaurus-TCAD软件对目前业界三种槽栅结构场截止型碳化硅IGBT（C-IGBT,GS-IGBT,FS-IGBT）进行了仿真。在最低12 k V的耐压标准下,分析对比了它们之间的特性差异,最终得出了FS-IGBT是三者之中性能最优秀的器件,并在此基础上,进一步分析了FS-IGBT的器件缺陷,阐明了优化器件的必要性。本文在FS-IGBT的器件基础上通过注入在漂移区顶部侧壁边界处形成两个P型埋层,提出了一种新型的具有P型埋层的槽栅结构IGBT（BP-IGBT）,而后对BP-IGBT两个P型埋层的掺杂浓度、长度和厚度进行了仿真优化,确定了各个参数的最优值。随后利用Sentaurus-TCAD软件将BP-IGBT与FS-IGBT在静态特性、动态特性、折中特性方面进行了仿真对比研究。仿真结果表明:静态特性方面,BP-IGBT的击穿电压较FS-IGBT的击穿电压提升约11%,通过改变参数,击穿电压最大提升可达135%。300 K下,在相同的阻断电压能力下,BP-IGBT的特征导通电阻相较于FS-IGBT下降约47.9%,BP-IGBT的导通压降相较于FS-IGBT下降约27.6%。当温度为450 K时,BP-IGBT的导通压降相较于FS-IGBT下降约34.6%;动态特性方面,BP-IGBT的开启功耗相较于FS-IGBT降低了65.2%,总开关功耗较于FS-IGBT降低了17.9%。在相同的电流过冲下,BP-IGBT的开启功耗相较于FS-IGBT减小约31.4%。在相同的关断损耗下,BP-IGBT较FS-IGBT的导通压降下降33.4%;频率特性方面,当二者工作在5 k Hz下时,随着占空比从10%增大到90%,BP-IGBT的总耗散功率由相较于FS-IGBT减小的20.7%增大到30.4%;当二者工作在10 k Hz下时,BP-IGBT的总耗散功率由相较于FS-IGBT减小的19.4%增大到26.6%。最终结果表明本文提出的具有P型埋层结构的BP-IGBT相较于FS-IGBT更加适用于高压功率应用领域。
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