（微电子学与固体电子学专业论文）新型igbt器件的设计与建模.pdf

摘要 绝缘栅双极晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 于结合了 m o s f e t 和b j t 各自的优点，表现出开关速度高、饱和压降低和可耐高压、大 电流等优良特性，是一种用途十分广泛的半导体功率器件，许多领域已经逐步取 代了电力晶体管( g t r ) 和电力场效应晶体管( m o s f e t ) 。目前，国内对i g b t 产品的需求量同趋增多，但国内暂时还没有独立的生产厂家，所需的i g b t 产品 主要依赖进口，因此，开发和研制具有自主知识产权的性能优良的i g b t 器件已 成为迫切需要，本文鉴于此背景，努力和国内同行一道投入该领域中进行积极探 索。 本文首先对i g b t 的工作原理进行了简述，接着又简单介绍了半导体器件计 算机模拟的相关知识。在对目前较为流行的i g b t 器件结构载流子存储型槽栅 i g b t ( c s t b t , c a r r i e r - s t o r e dt r e n c hi g b t ) 分析的基础上，提出了一种新型的功率 半导体器件f h t i g b t ( f u l lh o l e b a r r i e rl a y e rt r e n c hi g b t ) ，在槽栅下新增的n 型空穴阻挡层使得器件具有更低的饱和压降和抗短路能力，同时具有c s t b t 的 其他优点。本文在工艺上仿真实现了新型结构的i g b t 器件，又进一步对其进行 了器件模拟，仿真结果验证了其性能上的优越性。 此外本文还建立了f h t i g b t 的等效电路模型。在没有相应i g b t 的s p i c e 模型库的前提下，利用等效的电路模型能更方便地实现相关电路的设计。通过合 理的选择等效电路模型以及已知的器件特性曲线和有效的参数提取，使得所建立 的模型与器件的性能有较好的吻合，得到与预期一致的合理结果。 关键词：功率半导体器件；f h - t i g b t ；等效电路模型 a b s t r a c t c o m b i n i n gt h eb e s ta t t r i b u t e so fb o t hm o s f e ta n db j t ，t h ei g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) s h o w sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s v o l t a g ed r i v i n g ，h i g hs w i t c h i n gs p e e d ，l o w s a t u r a t i o nv o l t a g e ， u n d e r t a k i n gh i g hv o l t a g ea n dh i g hc u r r e n t t h i ss e m i c o n d u c t o rp o w e r d e v i c eh a sf o u n da b r o a da p p l i c a t i o n s ，a n dg r a d u a l l yt a k e st h ep l a c eo f g t ra n dm o s f e t a tp r e s e n tt h eh i g hp e r f o r m a n c ei g b ti sn e e d e du r g e n t l y h o w e v e r ，m o s ti g b tc o m ef r o mi m p o r tb e c a u s en ou n a i d e dm a n u f a c t u r e ri n o u rc o u n t r yc a nb ef o u n ds of a r a sar e s u l t ，n o w a d a y sm a n yr e s e a r c h e r s h a v e t u r n e dt od e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gn e wa d v a n c e di g b td e v i c e s i nt h i st h e s i s ，w ef i r s t l yi n t r o d u c es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h e d e v i c e ，a n dt h e nb r i e f l ya d d r e s ss i m u l a t i o no ft h es e m i c o n d u c t o rd e v i c e b a s e do nc s t b t ，an e ws t r u c t u r eo fi g b th a sb e e np r o p o s e d ，w hic hisc a lle d f h - t i g b t ( f u l lh o l e b a r r i e rl a y e rt r e n c hi g b t ) w i t hal a y e ro ft y p en u n d e rt h et r e n c hg a t e ，t h i sn e wd e v i c ec o s t sl o w e rs a t u r a t i o nv o l t a g e ， b u to w n ss t r o n g e ra b i l i t yo fc a r r y i n go u ts h o r tc i r c u i t sc o m p a r i n gt o c s t b t b e s i d e s ，i tc o n t a i n sa l lo t h e ra d v a n t a g e so fc s t b t t h ep r o c e s s s i m u l a t i o no ft h en o v e ld e v i c eh a sb e e ni m p l e m e n t e di nt h i sw o r k ，w h i c h v e r if ie sa d v a n t a g e so ft h en e wd e v ic e w eb u i i da ne q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo ff h t i g b t w i t h o u ti g b tm o d e l i ns p i c e ，t h i se q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lc a nb eu s e di nt h ec i r c u i td e s i g n e x p e d i e n t l y t h ei m p l e m e n t a t i o nc o n t a i n sd e v i c ec h a r a c t e r ss i m u l a t e d ， e f f e c t u a lp a r a m e t e r se x t r a c t e da n de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lr e f i n e d w e v e r i f i e dt h a tt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lm a t c h e st h ec h a r a c t e r so ft h e n e wd e v i c ep e r f e c t l y f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea d v a n t a g e so ft h i s n o v e ls e m i c o n d u c t o rd e v i c ec a nb es e e no b v i o u s l y k e y w o r d s p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ；f h t i g b t ；e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：栖诠铃 - j , - 0 1 7 年6 局暑e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版 ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦f - l ：x 学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( v ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：栖论论 p 7 年月弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件， 近年来，随着微电子技术的发展，以栅控功率器件与智能功率集成电路为代表的 现代功率半导体技术得到了迅速的发展，极大地推动了电力电子技术的进步。电 力电子技术的不断进步反过来又促使功率半导体技术向高频、高温、高压、大功 率及智能化、系统化方向发展。 上世纪5 0 年代初，第一只工业用普通晶闸管的研制标志着电力电子技术开 始进入由半导体功率器件构成的电能变换和控制的新时代。从此，以功率变换器 为核心的电力电子变换装置几乎应用于现代工业的各个领域，标志着现代电力电 子技术的诞生。同时，诸多研究工作者为研制高性能的功率器件做出了不懈的努 力，并已取得了令世人瞩目的成就。6 0 年代，晶闸管的电压电流容量不断提高， 由普通晶闸管很快就衍生出了快速晶闸管、逆导晶闸管( r c t ) 、双向晶闸管 ( t r i a c ) 以及不对称晶闸管( a s c r ) 等，形成了一个s c r 家族。6 0 年代后期， 可关断晶闸管g t o 实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到l k h z 以上。 7 0 年代末，随着m o s 集成电路的发展，诞生了m o s 型半导体功率器件。功率m o s 是电压控制器件，驱动电路更简单，在低压、高频系统中得到广泛的应用。但是， 由于没有类似于双极型器件的少子注入产生的电导调制效应，随着器件击穿电压 的增大，其导通电阻急剧增大，极大地限制了功率m o s 击穿电压的提高，也限制 了它在高压系统中的应用。8 0 年代初，试图把m o s 与b j t 技术集成起来的研究 导致称为绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的新型功率器件的发明。i g b t 集m o s f e t 的 栅极电压控制特性和b j t 的低导通电阻特性于一身，具有电压控制、输入阻抗大、 驱动功率小、导通电阻小开关损耗低及工作频率高等优点，并具有类似m o s f e t 的宽s o a 特性，是近乎理想的半导体大功率开关器件，有着广阔的发展和应用前 景。8 0 年代末，商品化的i g b t 单管水平已经达到2 0 5 0 a 8 0 1 0 0 0 v 。由于器 件结构的改进、参数的调整以及工艺水平的提高，到9 0 年代初期，i g b t 模块已 达到3 0 0 a 5 0 0 1 2 0 0 v 的水平。如今，i g b t 模块已经有8 0 0 a 6 5 0 0 v 、1 0 0 0 a 4 5 0 0 v 、 1 2 0 0 a 3 3 0 0 v 、2 4 0 0 a 1 8 0 0 v 的系列产品。最近几年，出现了集i g b t 与g t o 二者 新型i g b t 器件的设计与建模 优势与一身的i e g t 及i g c t ，其发展态势看好。同时，还出现了以s s p i c 、h v i c 等智能化的功率集成电路乜1 ，它将全控制型电力电子器件与驱动电路、控制电路、 传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起，这种全新的智能时代还处在不断 发展中。图1 1 给出了主要功率半导体器件的发展概貌。 图1 - l 功率半导体器件概貌 总之，在功率半导体器件五十多年的发展历程中，制造技术不断提高，从晶 2 第一章绪论 闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到p i d 、s p i c 通过栅极或栅极控制脉冲 可实现器件导通与关断的全控器件，从而实现了真正意义上的可控硅。从电流型 控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了栅极的控制功率，而且大大提 高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频一中频一高频不 断提高，目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发 展。其中，i g b t 集g t r 通态压降小、电流密度大、耐高压和m o s f e t 驱动功率小、 开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好等优点于一身，作为新型电力电子器件的 代表，在中、高压应用领域中备受人们的青睐。 1 2 本课题的主要内容及意义 绝缘栅双极晶体管1 9 8 2 年底由美国研制成功，它的英文名称是i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，缩写为i g b t 。还有一些其他名称，如：绝缘栅晶体 管、绝缘门晶体管( i n s u l a t e dg a t et r a n s i s t o r ，i g t ) 、b i m o s ( b i o p l a t m o d e m o s f e t 或b i p o l a r m o st r a n s i s t o r ) 、c o m f e t ( c o n d u c t i v i t ym o d u l a t e df i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) 、b i f e t 、g e m f e t 等。i g b t 兼具m o s f e t 和g t r 的多项优点， 极大的扩展了半导体器件的功率应用领域。i g b t 的用途非常广泛，小到变频空 调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器，大到电力机车牵引系统都 研制阶段3 。与国外相比，i g b t 的制造工艺技术至少落后十年，i g b t 的国产化 形式相当紧迫。因此，开展i g b t 的研发工作对我国国民经济和国防工业的发展 具有十分重要的意义。 全球能源的日益紧缺让节能环保课题越来越成为人们关注的焦点，汽车、计 算机、通信、消费电子、工业产品等都要求低功耗、高能效。在这种情形下，研 制和开发更低功率损耗的i g b t 仍然是国际上电力电子器件领域的一个热点课 题。为了跟上当今i g b t 研究步伐，本论文设计了一种具有较低功耗的新型结构 的i g b t 功率半导体器件，通过s i l v a c o 公司的工艺仿真软件a t h e n a 对新型结构 的i g b t 进行了工艺设计，器件结构设计完成之后，再通过器件仿真软件a t l a s 可以实现对i g b t 器件性能的优化模拟，目标是完成高性能的i g b t 功率半导体器 件设计，并对其运行机理进行深入探讨。 本论文由以下六章内容构成：除本章外，第二章介绍了i g b t 器件的结构及 工作原理，包括分类、等效电路、静态工作特性、动态特性、闩锁效应和安全工 作区等；第三章简要介绍了本研究涉及到的半导体器件的工艺仿真和器件仿真的 新型i g b t 器件的设计与建模 相关理论知识；第四章给出了新型功率半导体器件i g b t 的结构设计，并利用 s i l v a c o 模拟软件对其进行工艺模拟和器件性能优化设计；第五章通过参数提取， 为所设计的i g b t 器件建立了s p i c e 等效电路模型；第六章对本文工作进行了总 结和展望。 1 3 本章小结 本章简要介绍了功率半导体器件的发展历程，指出i g b t 了在功率半导体器 件家族中的优越性及市场潜力以及本课题研究的相关背景，并提出了本文的主要 研究内容和重要意义。 4 第二章i g b t 器件的结构及工作原理 第二章ig b t 器件的结构及工作原理 i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 本质上是一个场效应晶体管， 只是在漏极和漏区之间多了一个p 型层，即i g b t 是一种复合了b j t 优点的功率 m o s 型器件，它既具有功率m o s f e t 的高速开关及电压驱动特性，又兼具有双极 型晶体管的低饱和电压特性及承载较大电流的能力的特点，是近年来电力电子领 域中最令人注目并得到最快发展的一种新型半导体器件。 2 1ig b t 的结构及分类 1 i g b t 的结构 i g b t 在结构上类似于m o s f e t ，其不同点在于i g b t 是在n 沟道功率m o s f e t 的漏极上增加了一个p + 层，成为i g b t 的集电极，如图2 1 所示。从图中可以看 出，i g b t 是由一个纵向的p n p 管和一个横向的n 沟m o s 并联而成的。在正常工 作时，p + 区衬底接正电位，称为i g b t 器件的集电极c ( 或阳极a ) ，同时也是p n p 晶体管的发射极。通过多晶硅栅介质引出的电极为i g b t 的栅极g ，i g b t 的发射 极e ( 或称阴极k ) 将与p b a s e 短接。 6 集电极c 图2 1i g b t 的结构 对应于图2 1 所示的i g b t 结构，表2 1 清楚地给出了i g b t 中寄生参数的产 生、性质及符号。 新型i g b t 器件的设计与建模 表2 1i g b t 的寄生电容及电阻 符号名称产生和性质 c 。栅极一发射极电容栅极和发射极的金属化部分的重叠引起的电容，取 决于栅极一发射极电压，但与集电极一发射极电压无 关 c 。集电极一发射极电n - - b a s e 区与p 阱区之间的电容，取决于单元的表面 容积、漏源击穿电压以及漏源电压 c 。 栅极一集电极电容米勒电容，由于栅极和n - - b a s e 区之间的重叠而产 生 r 。 栅极内阻多晶硅栅极的电阻，在多芯片并联的模块中，常常 还有附加的串联电阻以消弱芯片之间的振荡 r d n 一- b a s e 区电阻n 一- b a s e 区的电阻( p n p 晶体管的基极电阻) r p 景区横向电阻寄生n p n 双极型晶体管的基极一发射极之间的电阻 从图2 1 的i g b t 剖面图中可以得到i g b t 的等效电路模型，如图2 2 所示。 图2 2 ( a ) 所示的i g b t 的等效电路中包含一只理想功率m o s f e t ，以及一个寄生 n p n 晶体管：n + 发射区( 发射极) 、p + 阱区( 基极) 、n - - b a s e 区( 集电极) 。在这 个寄生结构里，位于发射极之下的p + 阱区的电阻被视为基极一发射极电阻r - 。此 外，下列区域组合构成了一个p n p 晶体管：p + 集电极区( 发射极) 、n 一- b a s e 区( 基 极) 、p + 阱区( 集电极) 。这个p n p 晶体管与上面的n p n 晶体管一起构成了一个晶 闸管结构。另外，两个相邻的i g b t 单元之间还有一个寄生的j f e t 结构( 图中未 给出) 。在i g b t 正常工作时，要避免寄生n p n 晶体管的导通，否则i g b t 将失去 栅控能力，发生闩锁效应。因此，等效电路中的寄生n p n 管可以忽略，简化后的 i g b t 等效电路如图2 2 ( b ) 所示，即i g b t 可以看作是一个n 沟道增强型m o s f e t 与一个p n p 双极型晶体管的达林顿结构。 g g e e 栅 c ， e ( a ) i g b t 的等效电路( b ) 简化的i g b t 等效电路 图2 2i g b t 的等效电路模型 6 第二章i g b t 器件的结构及工作原理 在实际电路中，i g b t 的图形符号一般有三种，如图2 3 所示，其中，实际 应用中多采用图2 3 ( a ) 所示的符号。 e c t o r ( b ) ( c ) 图2 3n 型i g b t 的图形符号 2 p t i g b t 和n p t i g b t i g b t 在大多数情况下采用垂直式( v i g b t ) 结构，即栅极、发射极位于芯片 上表面，集电极位于芯片的下表面。此类i g b t 的负载电流在沟道之外垂直通过 芯片，而导电沟道则是横向的。平面式i g b t ( l i g b t ) 结构是从微电子技术移植 而来的，其集电极由p + 阱区构成，位于芯片的表面，负载电流沿水平方向，此种 结构的i g b t 便于集成，但性能没有v i g b t 好，故主要用在复杂的单芯片电路中。 目前，垂直式i g b t 通常分为两种，一种是最早出现的穿通型( p u n c ht h r o u g h ， p t ) i g b t ，图2 4 ( a ) 所示的结构，另一种是非穿通型( n o np u n c ht h r o u g h ，n p t ) i g b t ，图2 4 ( b ) 所示。两种结构的基本区别在于，在p ，r 型i g b t 的n 一一b a s e 和 p * - c o l l e c t o r 之间存在一个高扩散浓度的n 型缓冲层。p t 型i g b t 的n 层掺杂浓 度较低，且有一个n + 缓冲层，所以它的穿通击穿电压低于雪崩击穿电压，在加阻 断电压发生穿通击穿前不会发生雪崩击穿，故称其为穿通型i g b t 。缓冲层的引 入，降低了双极晶体管的增益，减少了集电极关断拖尾电流，降低了导通压降。 重掺杂的缓冲层大大降低了器件从p + 发射极( i g b t 集电极) 的注入效率，在器 件关断时尤为明显，这造成p h i g b t 的通态压降大于n p t i g b t 。然而，在给定 阻断电压时，p 1 i 型器件有更薄的n 一基区，而n 一基区的厚度是影响通态压降的关 键因素，因此，合理的设计漂移区和缓冲区的厚度，p t 型i g b t 可以取得更低的 通态压降。 7 新型i g b t 器件的设计与建模 ( a ) p t i g b t e ( b ) n p t i g b t 图2 4 两种i g b t 的结构及其正向截j ：状态下的电场强度分布 图2 4 还给出了两种i g b t 正向截止状态下的电场强度分布，这也正反映了 两种结构名称的由来：n p t - i g b t 正向截止时j 。结在n - - b a s e 区的耗尽层没到达 p + 集电极层，电场只分布于n 一一b a s e 的部分区域，故称为非穿通型i g b t ；p t i g b t 正向截止时j 。结的耗尽层终止于n 型薄缓冲层，电场分布于整个n 一b a s e 区，故 称之为穿通型i g b t 。与p t - i g b t 相比，n p t - i g b t 的背p + 发射区极薄且掺杂浓度 相对较低，所以n p t i g b t 背发射区注入效率比p t i b b t 低得多。在n p t i g b t 中， 因为背发射极电流中的电子流成分很大，器件关断时n - - b a s e 基区存储的大量电 子可以通过流向背发射区而很快清除掉，空穴可以迅速地流向p 阱，所以开关时 间短，拖尾电流小，开关损耗小。虽然n p t i g b t 背发射极注入效率较低且n - - b a s e 区较宽，但由于n - - b a s e 区少子寿命很长，使得n - - b a s e 区载流子电导调制效应 更加显著，n p t 型i g b t 的饱和压降并不比p t 型高。另外n p t 型i g b t 有一个突 出的优点就是器件关断时拖尾电流随温度变化很小，器件的可靠性很高。 r 第二二章i g b t 器件的结构及工作原理 p ，i 一i g b t 和n p t i g b t 的制造工艺也有很大的不同h 1 。p 1 型i g b t 制作流程如 图2 5 所示，它是在p + 单晶上外延n + 缓冲层和n 一基区，再于n 一层表面区制造m o s f e t 结构而成。由于制造方法的限制，其p + 背发射区必须足够厚以保证不碎片，并且 掺杂足够高以保证电阻小，所以p + 发射区的空穴注入效率很高：这一结构的优点 是在器件导通时，高的发射效率可使大量空穴从背面注入到n 一基区中，大量电子 则通过器件的正面的n 型沟道流入n 一基区，这样在基区可形成很好的电导调制， 使通态压降很低。但同时，这一结构也产生了一个严重的问题，由于背发射极的 空穴注入效率很高，在流经p + _ _ n 一结的电流中，电子流所占成份很小，那么在关 断时，n 一区积累了大量电子无法从背p + 区流出，电子只能在n 一区靠自身的载流子 复合来消失，这大大延长了i g b t 的关断时间，从而使p t - i g b t 的关断损耗较高。 组摹的茎区p 讨毫p 幸| 岳上俄次抖莲* 、n 在和上捌柞獬f e t 培拇 图2 5p t - i g b t 制作流程示意图 在实际中，通常采用离子辐照的方法来控制n 一一基区的载流子寿命，减小集 电极电流拖尾时间和寄生双极晶体管电流增益，以此降低关断损耗，提高抗闭锁 能力。然而少子寿命的降低使电导调制作用减弱，影响正向压降，加退火工艺， 可克服这一弱点。通过离子辐射引入的晶格损伤和相应的陷阱复合中心使载流子 寿命和迁移率下降的同时，也造成栅氧化层俘获电荷的增加，造成m o s 器件门槛 电压的负向漂移和跨导的退化，为克服这一负面影响，一般要采取抗辐射加固工 艺减少对栅氧化层造成的影响。 图2 6 为n p t i g b t 制作工艺流程图，n p t - i g b t 中极薄且相对较低的掺杂浓 度的背p + 发射区，以及高载流子寿命的基区，使其背发射区注入效率低。所以， 在集电极电流中以通过p + n 结向背发射区注入的电子流为主，而由背发射区向基 区注入的空穴流相对较少，关断时，基区存储的大量电子可以通过流向背发射区 9 新型i g b t 器件的设计与建模 而很快清除掉，空穴可以迅速流向p 阱，所以开关时间短，拖尾电流小，开关损 耗小。 m 单量硅 在单晶硅正面制作从背西碱簿到葺 压 背面注入硼形成 黼f 曰。结构 新景摩度琶掺杂演舻茬 图2 6np t - i g b t 制作流程示意图 2 2lg b t 的工作原理 下面以n p t - i g b t 结构为例来分析i g b t 的工作模式。在图2 1 所示的i g b t 结构中，当栅极g 与发射极e 短接且接正电压、集电极c 接负电压时，j 。、j 3 结 反偏，j 。结正偏。反偏结j 。、j 。阻止电流的流通，此时器件处于反向截止状态， 反向电压主要由j 结承担，耗尽层大部分向低掺杂的n - - b a s e 层扩展，高掺杂的 p + - c o l l e c t o r 层中的耗尽层则很窄。当栅极g 与发射极e 短接，集电极c 相对于 栅极加正压时，j 。、j 。结正偏，而j ：结反偏，电流仍然不能流通，此时i g b t 处 于正向截止状态，电压主要由j ：结承载。穿通型i g b t 的正反向阻断能力较好。 对于本次设计的具有缓冲层的i g b t ( 即p t - i g b t ) ，由于n 型缓冲层阻止了j 。结 的耗尽区向n b a s e 区的扩展程度，使得其反向击穿电压比n p t i g b t 低，即 p t - i g b t 具有较低的反向阻断能力。 当集电极c 加正压，栅极g 相对于发射极e 也施加一定的正压时( 0 ， v g 。 v 。) ，i g b t 的m o s 沟道形成如图2 7 所示，电子流从n + - e m i t t e r 通过该沟道 流入n 一一b a s e 区，由于电子的注入，降低了n 一- b a s e 区的电位，从而加速了 p + 一c o l l e c t o r 区向n - - b a s e 区注入空穴的进程，使器件很快进入正向导通状态。 对于一定的，当达到一定值时，沟道中电子漂移速度达到饱和漂移速度， 则集电极电流i 。就出现饱和。随着v 6 。的增加，表面m o s f e t 的沟道区反型加剧， 1 0 第一$ i g b t 器件鲇构& 工作麒理 通过沟道的电子电流增加，使得器件的i 。增加。 圈27i g b t 导通时载流子的流向 g 为了满足一定的耐压要求，n - b a s e 区往往选择较厚且轻掺杂的外延层。当 沟道形成后，p 衬底注入到n - b a s e 区的空穴( 少子) 对盯一b a s e 区进行电导调 制，使n - - b a s e 区的载流子浓度显著提高，阻抗减小，降低了n - b a s e 区的导通 压降，克服了m o s 器件导通电阻高的弱点，使i g b t 在高压时仍具有较低的通态 电压。 g b t 在继承m o s 电压驱动、安全工作区宽、开关速度快等优点的同时，兼 备了功率b j t 正向导通压降小、电流密度大的优点，而且由于在宽基区很好地利 用了载流子的电导调制效应，从而克服了m o s 导通电阻随器件耐压的增加而增大 的致命缺点。虽然相对于m o s 而言i g b t 的工作频率有所下降，但是它已经适合 在几十千赫兹的频率下工作了。另外，i g b t 的制作工艺是与m o s 兼容的0 1 ，在工 艺上没有难度，适合大规模生产。综上所述i g b t 综合了以往传统功率丌关器 件各自的优点，较好地实现了开关损耗和通态压降的折衷，是一个较为理想的功 率开关器件，也正是由于i g b t 的优良性能从8 0 年代末起它就已经成为国际上 高频功率开关器件领域的主流器件。 2 3i g b t 的特性分析 i g b t 的开关作用是：通过加正向栅压形成沟道，给p n p 晶体管提供基极电 流，使i g b t 导通；反之，加反向栅压消除沟道，流过反向基极电流使i g b t 关断。 i g b t 的工作特性包括静态特性和动态特性两类。 新型i g b t 器件的设计与建模 2 3 1ig b t 的静态特性 i g b t 的静态特性主要有转移特性和输出特性。i g b t 的转移特性是指输出集 电极电流i 。与栅极和发射极电压v g 。之间的关系曲线，如图2 8 所示。它与功率 m o s f e t 的转移特性相同，当栅极和发射极之间的电压小于阈值电压v 岫时，i g b t 处于关断状态。他i g b t 导通后的大部分集电极电流范围内，i 。与v 。成线性关系。 栅极和发射极之间的最高电压受最大集电极电流限制，最佳值一般为1 5 v 左后。 i g b t 能实现电导调制的最低栅极和发射极电压v c 。随温度升高略有下降，在2 5 时的值一般为2 v - - 6 v 1 。 o v 魄 图2 8i g b t 的转移特性 i g b t 的输出特性是指以栅极和发射极之间的电压v g 。为参变量时，集电极电 流i 。与漏源压v 晓之间的关系曲线，图2 9 给出了典型i g b t 器件的i j 关系曲线。 输出特性曲线的形状与双极型晶体管相似，但因为i g b t 是压控器件，故其参变 量是栅源电压v g e ，而不是基极电流。与功率b j t 相似，输出曲线也分为正向阻 断区、饱和区和主动区( 放大区) ，当v 。 0 时，i g b t 处于反向阻断工作状态。 1 2 第二章i g b t 器件的结构及工作原理 图2 9i g b t 的输出特性( n 沟道增强型) 另外，i g b t 的通态压降可以近似为背面p n 结二极管上的压降与m o s f e t 沟 道压降之和，因而i g b t 的通态压降不低于一个二极管的阈值电压，即为了使i g b t 导通，j 。结要正偏，c 、e 间至少要有o 6 v 左右的电压。 2 3 2ig b i 的动态特性 i g b t 的动态特性主要描述其导通、关断时的瞬态过程，即器件的开关特性。 开关速度的快慢对器件的开关损耗有很大的影响，因而在高频应用是器件的开关 损耗在总功耗中占了绝大部分。器件的开关过程可以分为导通和关断两个过程， 其中又以关断过程尤为重要，因为i g b t 的开启过程与m o s f e t 很相似，故开启速 度很快，而关断过程则与m o s f e t 不同，故减小i g b t 的开关损耗主要就是减小该 器件的关断损耗。 从器件的结构及工作原理( 图2 1 ) 来看，i g b t 器件总电流由两部分组成口1 ， 既含有来自沟道的m o s 分量，又含有从p n 结注入的双极分量，即 r = k + k 。i g b t 的开通瞬态特性主要由内部等效m o s f e t 结构决定陋3 ，如 图2 1 0 的左端，未加入v 旺之前，i g b t 处于阻断状态，l 0 ，v 伍为电源电压值， 加入后，i g b t 转换状态。动态特性是从由低转向高时作为起点，当从 低电平( 一般为负值) 转向高电平需要一段过程，v 晚上升至v 傀。，时，j 。才开始 里丝呈! 登堡塑堡生：! 垄堡 从无到有。由从低转高瞬间到j 。从无到有的瞬间称为开通延迟时间，用t 。锄， 表示；出现集电极电流j 。到开始下降这段时间称为电流上升时间，用t r l 表示； 从v 旺开始下降到降为最低这段时间分两段：即t 伢。段和t m 段，t 行。段只有等效 m o s f e t 起作用，t f r 2 段等效m o s f e t 与等效p n p 管同时起作用，因此，t m 长短决 定于两个因素：其一是i g b t 的c - e 间电压降低时，它的g - e 间电容增加，致使 电压下降时间变长，这与m o s f e t 相似；其二是i g b t 内等效p n p 管从放大状态转 为饱和状态要由一个过程，这个过程使电压下降时间变长，这说明只有当t f r 2 下 降曲线快结束时，i g b t 的集电极电压才进入饱和阶段。还要提及的是，v 6 。( t ) 在 t d ( o n ) 和t r i 段都是按指数规律变化，而t 及t 眦段g - e 间流过驱动电流，相当于 g - e 间呈现二极管正向特性，所以t 什。及t f r 2 段的v 6 e ( t ) 保持不变。当i g b t 完全 导通后，驱动结束，v o w ( t ) 又呈现指数规律变化，v g e 最终达到栅极电源电压值。 o ，& v ( ) 图2 1 0i g b t 的开关瞬态特性 i g b t 关断时的瞬态变化情况如图2 1 0 的右端。关断是由v g 。下降所引起的， v c e 开始下降后，i o 及并不立即变化，要待v g 。下降到阈值电压v g 。时，k 才开 始上升，这段时间为t d c 。f f ) 。此后，当达到阻断值时，i c 才开始下降，这段时 间为t ”。这两段时间都由等效m o s f e t 决定，合起来称为关断延迟时间。i o 开始 下降后，它的下降过程又分为两个阶段，前段为t m ，这段时间仍由等效m o s f e t 决定，t r 的末尾等效m o s f e t 已关断，再往后的t m 段只有内等效p n p 晶体管中 存储电荷起作用这些体内存储电荷难以被迅速消除，所以i g b t 的集电极电流的 下降需要经过一段较长的时间。由于在i o 下降期间已降低集电极电压，过长的下 1 4 第二章i g b t 器件的结构及工作原理 降时间会产生较大的功耗，使结温升高，所以希望此段时间越短越好。穿通型 i g b t 因无n + 缓冲区，故其下降时间较短；相反，非对称型i g b t 的下降时间较长。 在实际应用中，用i g b t 集电极电流i 。的瞬态特性定义开关时间。i g b t 的开关时 间包括上升时问、开通时间、下降时间、关断时间，其定义如下：i g b t 的上升时 间t ，对应于瞬态特性的t r l i g b t 的开通时间t 。对应于瞬态特性的t d ( o n ) i g b t 的下 降时间t ，对应于瞬态特性的t 与t 之和：i g b t 的关断时间t 。，对应于瞬态特性的 t d ( o r r ) _ 与t ，的和。图2 9 中都加以表示。i g b t 的开关时间比功率m o s f e t 稍大，但比 的b j t 开关时间小，它的开关时间只有b j t 的十分之一。开关时间短是i g b t 得以广 泛应用并发展较快的原因之一。 对于i g b t 的关断时间，最大的一个限制因素是n 一一b a s e 层中少数载流子的寿 命，o i p n p 管基区中少子的寿命。因为对于i g b t 中的p n p 管来说，基区没有直接的 引出电极，所以无法像b j t j b 样，通过外部驱动电路加大基极反抽电流来减小其 过量存储电荷，以此缩短开关时间。虽然该p n p 管类似于达林顿连接，它的关断 时间要比同样处于深饱和的p n p 管短许多，但即便如此，仍不能满足许多高频应 用的要求。在关断时，基区的存储电荷使得i g b t 的电流波形出现了尾部电流。因 此减d , t 挖对提高i g b t 的关断速度是十分重要的。t 佗可以通过电子辐照等少子寿命 控制技术加以控制，并通过在p n 之间加n 型缓冲层等工艺方法来降低p n p 管的增 益、使通态压降变大。但是少子寿命的降低虽然提高了器件的关断速度，却使i g b t 的n 一一b a s e 区的调制作用减弱，调制电阻增加，导致正向压降上升。所以i g b t 的 通态压降与关断时间之间存在一个折衷关系，要视情况而定。 2 4 ig b t 的闩锁效应和安全工作区 闩锁效应是i g b t 不同于m o s f e t 的一个失效特性，应当尽量避免。而i g b t 的安全工作区特性则比m o s f e t 和b j t 都宽。 2 4 1 闩锁效应 所谓闩锁，是指使器件处于不稳定状态的现象。对于i g b t 器件而言，则通常 是指其内部p n p n 四层结构中存在的寄生晶闸管效应，如图2 2 ( a ) 所示的等效电 路。一旦该晶闸管导通，器件内部电流将不断增大，当寄生n p n 晶体管导通时， 则器件不受其栅压控制，因而失去了自关断能力，导致器件的毁坏性失效，从而 限制了i g b t 的安全使用。 i g b t 有三种闩锁现象：1 、i g b t 在导通态产生的静态闩锁；2 、i g b t 在关断时 新型i g b t 器件的设计与建模 产生的动态闩锁；3 、过热闩锁。在图2 2 ( a ) 所示的等效电路中，n p n 管的基极和 发射极之间寄生有一个电阻凡，在此电阻上会产生一定的压降，对j 。结来说，相 当于一个正向偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏电压不大，n p n 管 不起作用。当漏极电流大到一定程度时，该正偏电压足以使n p n 管开通，进而是 n p n 管和p n p 管处于饱和状态，于是栅极失去对集电极电流的控制作用，这就是 i g b t 的静态闩锁效应。避免发生静态闩锁的条件是要保证n p n 管和p n p 管的共基极 电流放大系数之和小于1 ，即口删+ 口册 n + 缓冲层p + 集电区 2 外延：n 型外延生长，形成发射极下的空穴阻挡层，如图4 3 ( a ) 所示 4 2 第网章新型i g b t 嚣件的设计& 特性分析 氧化：牺牲层生长，如图4 3 ( b ) 所示 光刻：p 型基区和p 型场环注入，如图4 3 ( c ) 所示 去胶，退火、推进，如图4 3 ( d ) 所示 光刻：p 型基区注入结深约08 u m ，如图43 ( e ) 所示 去胶，退火 氧化：牺牲层生长 光刻：n 型发射区注入，结深约l u m ，如图43 ( f ) 所示 去胶，退火、推进 淀积氮化物、氧化物，光刻槽栅，如图43 ( g ) 所示 反应离子刻蚀槽栅 光刻：槽栅下n 型空穴阻挡层注入，如图4 3 ( h ) 所示 去胶，退火 栅氧化：1 0 0 0 a ，如图43 ( i ) 所示 多晶硅淀积，如图4 3 ( j ) 所示 涂胶、平烘 回蚀多晶硅，氧化物、氯化物刻蚀 在栅极区选择性氧化，如图4 3 ( k ) 所示 光刻接触孔：a 1 电极 背向蒸铝，如图4 3 ( 1 ) 所示 钝化 n 巍