【摘 要】
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场终止型IGBT(FS-IGBT)在设计过程中可以通过降低阳极注入效率优化N型基区载流子分布,从而提高关断速度,降低关断损耗。但注入效率的降低,会使得在短路条件下高低结(N-buffer/N-
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场终止型IGBT(FS-IGBT)在设计过程中可以通过降低阳极注入效率优化N型基区载流子分布,从而提高关断速度,降低关断损耗。但注入效率的降低,会使得在短路条件下高低结(N-buffer/N-base)处出现电场尖峰,这对IGBT的短路过程是非常不利的,针对这一问题,本论文从以下几个方面展开: 1.对1200V槽栅FS-IGBT多元胞在低注入效率下的短路特性进行仿真,分为相同元胞结构和不同元胞结构,前者指每个元胞的结构都保持一致,后者指个别元胞电流密度大于其他元胞。仿真结果表明,一定短路偏置电压Vcc条件下,当电流密度大于临界值将出现电流聚集,Vcc为500V时临界电流密度最低,Vcc大于或小于500V,临界电流密度都将增大。电流聚集位置靠近阳极,产生的高温将严重危害器件的正常工作。 2.通过仿真对电流聚集效应的内在物理机理进行了分析,结果表明,低注入效率下基区载流子迁移速率受到电场分布的影响,导致不同电流密度区域空间电荷数量也不同,从而使电子电流和空穴电流的聚集并形成正反馈。不同元胞结构本身存在电流密度的差异,而相同元胞结构的电流差异来自高低结大电场下的碰撞电离。 3.对600V和3300V槽栅FS-IGBT短路条件下的电流聚集效应进行仿真,仿真结果表明,存在一个使临界电流密度最低的Vcc,大于或小于该Vcc,临界电流密度都将增大,这和1200V FS-IGBT是相似的。在不考虑较小和较大Vcc情况下,击穿电压越小,发生电流聚集所需电流密度就越大。 4.从注入效率和缓冲层结构这两个方面提出了抑制短路电流聚集的设计方法。注入效率方面,相同Vcc条件下,临界电流密度随注入效率增大而增大,增大注入效率在一定程度上抑制了电流聚集效应;缓冲层结构方面,一定缓冲层厚度下,临界电流密度随缓冲层浓度减小而增大,缓冲层浓度存在临界值,小于临界值则不会发生电流聚集现象,且缓冲层厚度越小,临界缓冲层浓度越大。 本文的仿真结果和相关结论,即满足了FS-IGBT关断速度和关断损耗对注入效率的要求,同时也避免了低注入效率引起的短路电流聚集效应,对高开关速度的FS-IGBT的设计有重要的参考价值。
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