RC-IGBT的理論模型與新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）同時(shí)具有MOS（Metal Oide Semicondutor）的柵控制能力和Bipolar的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。但是IGBT是一個(gè)單向?qū)ㄆ骷?，在反向?qū)〞r(shí)需要一個(gè)額外的二極管，以通過負(fù)載中的無功電流，同時(shí)抑制電路中寄生電感產(chǎn)生的額外電壓。為此近幾年人們又提出了逆導(dǎo)型絕緣柵晶體管（Reverse-Conducting Insulated Ga

2、te Bipolar Transistor, RC-IGBT）并對(duì)其進(jìn)行了深入研究。導(dǎo)型絕緣柵晶體管 RC-IGBT通過將部分 P-Collector用N-Collector來取代，成功的將續(xù)流二極管（Free-Wheeling Diode, FWD）和絕緣柵晶體管IGBT集成到同一塊硅片上。使得其不但擁有了雙向?qū)芰Χ掖蟠筇岣吡诵酒募啥?。同時(shí)由于不需要在絕緣柵晶體管和續(xù)流二極管間外加額外的互連線，又解決芯片間的可靠性問題。

3、r>　　但是，這種逆導(dǎo)型絕緣柵晶體管RC-IGBT本身存在新的缺點(diǎn)即在正向?qū)〞r(shí)電子會(huì)首先流過 N-Collector,在更大的電流密度下P-Collector才能向漂移區(qū)中注入空穴，即存在由單電子導(dǎo)電模式向雙極性導(dǎo)電模式轉(zhuǎn)換過程，使得電流電壓輸出曲線上出現(xiàn)了負(fù)阻（Snapback）效應(yīng)，故需對(duì)其物理機(jī)理進(jìn)行深入分析并采用新的結(jié)構(gòu)來抑制這種效應(yīng)。同時(shí)傳統(tǒng)RC-IGBT中N-Collector的引入會(huì)使得其擊穿電壓以及電流分布情況發(fā)生改變

4、，故有必要對(duì)擊穿漏電流和電流分布進(jìn)行物理建模以更深入的研究其物理機(jī)理。另外隨著集成器件的頻率和性能的不斷提高，傳統(tǒng)RC-IGBT中集成的二極管與 IGBT的開關(guān)過程需進(jìn)一步優(yōu)化使它們性能相互匹配，故要求二極管必須具有較低通態(tài)壓降還應(yīng)具有短的反向恢復(fù)時(shí)間 trr；較小的反向恢復(fù)電流IRRM，同時(shí)具有軟的反向恢復(fù)特性。
　　為此本文以逆導(dǎo)型絕緣柵晶體管 RC-IGBT為研究課題。主要針對(duì) RC-IGBT中的Snapback現(xiàn)象提出了負(fù)

5、阻效應(yīng)物理模型，以及對(duì)擊穿耐壓和導(dǎo)通電流提出了相應(yīng)的漏電流模型和電流分布模型。并重點(diǎn)提出了雙陽極型 RC-IGBT、分離型RC-IGBT以及結(jié)隔離型RC-IGBT三種新結(jié)構(gòu)來消除傳統(tǒng)RC-IGBT中的負(fù)阻效應(yīng)。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　（1）提出負(fù)阻效應(yīng)物理模型，通過模型不但加深了對(duì)其物理機(jī)理的了解，而且指出了消除負(fù)阻效應(yīng)的方法：從P-Collector/n-buffer的壓降VPN電壓模型來看，可以通過提高n-buffer層的電阻和

6、增加P-Collector的長度來提高VPN數(shù)值，使得器件一開始就進(jìn)入雙極性導(dǎo)電模式。從負(fù)阻效應(yīng)大小△VSB模型來看，可以通過提高集電極電阻以及降低漂移區(qū)電阻來減小△VSB大小從而消除負(fù)阻效應(yīng)。在模型的指導(dǎo)下首先提出了雙陽極型 RC-IGBT，通過引入雙陽極結(jié)構(gòu)來增大集電極電阻從而有效的抑制了 Snapback現(xiàn)象，并通過仿真驗(yàn)證這種新結(jié)構(gòu) RC-IGBT相對(duì)傳統(tǒng)RC-IGBT還具有更低的正向?qū)▔航岛透鼉?yōu)的折中關(guān)系。
　?。?）

7、根據(jù)負(fù)阻效應(yīng)模型提出分離型 RC-IGBT。通過改變集電極 P-Collector和N-Collector的位置，使得P-Collector長度得到整合，P-Collector/n-buffer的壓降VPN得到提高，使之在很低的外加電壓下這種分離型RC-IGBT就進(jìn)入雙極性導(dǎo)通模式。經(jīng)仿真驗(yàn)證該分離型RC-IGBT能完全消除Snapback現(xiàn)象且僅僅通過版圖設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)本章節(jié)還對(duì)其 IGBT區(qū)域的擊穿特性進(jìn)行了探討，對(duì)其室溫和高溫

8、漏電流特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比介紹了CS-IGBT相對(duì)傳統(tǒng)IGBT在高溫下可靠性會(huì)更高，對(duì)如何設(shè)計(jì)高性能的CS-RC-IGBT具有指導(dǎo)意義。
　?。?）提出結(jié)隔離型RC-IGBT，在集電極上引入P浮空電流栓和NPN晶體管的結(jié)構(gòu)來阻擋電流直接流向N型集電極，使得IGBT區(qū)和FWD通過PN結(jié)而被隔離開來。同時(shí)，對(duì)RC-IGBT中的CIBH（Controlled Injection of Backside Holes）類型二極管的反