基于寬禁帶半導(dǎo)體4H-SiC的功率IGBT模型及特性研究.pdf

1、本文系統(tǒng)研究了4氫碳化硅(4H-SiC)材料的物理性質(zhì),分析計(jì)算了4H-SiC寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg和載流子遷移率μ等材料參數(shù),并依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的4H-SiC的電離率特性曲線推算出用于模型計(jì)算的4H-SiC電離率的理論計(jì)算公式,基于半導(dǎo)體物理與器件物理理論,建立了4H-SiC絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件外部特性計(jì)算的物理模型。用MATLAB仿真模擬軟件計(jì)算并給出了4H-SiC IGBT的輸出I-V特性曲線以及器件漏源擊穿電壓V

2、B與外延層(n-區(qū))摻雜濃度NB和外延層厚度W,導(dǎo)通電阻RON與器件擊穿電壓VB,開關(guān)時(shí)間ton與漏源額定電壓Vds等關(guān)系曲線。在相同設(shè)計(jì)和工藝條件下,與傳統(tǒng)硅材料功率IGBT性能進(jìn)行比較,結(jié)果表明：第一,對(duì)于半導(dǎo)體pn結(jié),平行平面結(jié)對(duì)應(yīng)無窮大結(jié)深,是實(shí)現(xiàn)最大擊穿電壓的理想條件。而實(shí)際的pn結(jié),不論是對(duì)硅還是對(duì)4H-SiC,摻雜濃度隨擊穿電壓增大而降低,及外延層厚度隨擊穿電壓增大而增大的趨勢(shì)是相同的。第二,對(duì)耐壓2000V以上的器件,相

3、同擊穿電壓條件下,4H-SiC 器件的外延層摻雜濃度比硅器件高約一個(gè)數(shù)量級(jí),而其外延層厚度和導(dǎo)通電阻分別約為硅器件的 15%,因而,對(duì)同一漏源擊穿電壓的器件,用4H-SiC 材料制作可選取比硅材料更高的外延層摻雜濃度和更薄外延層厚度,從而使器件具有更小的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度；第三,4H-SiC 材料的載流子遷移率小于硅材料的遷移率,從而,用同一設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)同等面積的芯片,在相同偏置條件下,4H-SiC 器件的漏源輸出電流比硅器件小。