第一章 电力电子器件发展概述

教师介绍：张大民1565928976hqxmzju 实验建筑3-202，高级电力电子技术，AdvancedPowerElectronics，第一章电力电子半导体器件，1，2，3，4到1970年，普通晶闸管开始在工业应用中大量用于电力控制。自1970年以来，各种类型的电力电子半导体器件相继出现，逐步商业化。其中碳化硅器件发展迅速，实际工业设备大多数是用硅材料制成的。这些装置主要可以分为三类：功率二极管，晶闸管，晶体管1。随着电力电子设备的应用范围的扩大和应用领域要求的增加，更高的电力容量、更低的开关损耗、更高的开关频率、更紧凑的封装体积、集成和模块化设计等设备的开发要求也越来越高。电力电子设备中使用的大部分新技术是围绕这种发展方向展开的。电力电子半导体器件分类，1.1电力电子器件开发概述，电力电子半导体器件应用功率等级分布，电力电子半导体器件应用频率分布，一般应用晶闸管一般包括以下类别：强制转换器晶闸管，栅阻晶闸管，半相传导晶闸管(RCT)，静态传导晶闸管(SITH)，光触发硅控制整流器(LASCR)，MOS阻塞(MTO)晶闸管，晶闸管的发展方向也提高了对设备交换机的控制，同时增加了单个管的功率容量，这在大量使用IGCT、SGCT、光触发晶闸管方面是显而易见的。IGCT和SGCT结合了晶体管和晶闸管设备的优点，集成了GTO芯片和栅极驱动器电路，并通过低电感连接栅极驱动器和外围设备。传统的GTO设备非常困难，必须将设备的额定电流1/3左右的驱动电流添加到浇口中，并在1内拔掉阴极上的所有电流，才能快速关闭操作。IGCT阻塞是非常快速的瞬态过程，设备完全被晶体管模式阻塞，确保完全控制的均匀结束，广泛应用于大功率电流转换器和变频器。1.1.2晶闸管，功率晶体管有四种类型。BJT，power MOSFET，IGBT和SIT。其中，IGBT和电源MOSFET是使用最广泛的电源电子设备，无论是大/直流传输、小/小家电，您都可以看到这两种设备的外观。由于这两种设备主要用于中等功率情况(与功率容量的增加有关)，因此每个设备公司都推出了下一代IGBT和MOSFET设备，主要侧重于减少损失，其中具有代表性的技术针对沟槽门结构和垂直导电技术的广泛应用进行了优化，IGBT包括现场终止技术、霍尔阻抗技术等，电力MOSFET的代表性代表是“超级联接”技术。这两种装置中新半导体材料的应用基本上停留在实验室阶段。1.1.3功率晶体管、功率MOSFET出现在70年代后期，主要归功于70年代中期MOS技术的发展，不同于传统的极性开关管(FET，即单极电压控制单元)的极性开关管(BJT)。在导向状态下，由于大多数载波运行，与电流控制设备相比所需的驱动功率非常少，并且大多数载波导电功率MOSFET显着减少了开关时间，因此可以轻松达到100KHZ以上的开关频率，电力MOSFET是低电压(200V)范围内的最佳开关设备，但是在高电压应用领域，最大的特点是电流的2.5次方导致传导电阻急剧上升，从而给高电压功率MOSFET的应用带来了巨大困难。因此，MOSFET的技术优化基本上从这一点开始。，1.2功率MOSFET，沟槽技术首先在功率放大器和功率转换设备的功率MOSFET中介绍，并在现有MOS设备的基础上进行了三次重大改革。1.实现垂直安装漏管、垂直导电，在现有MOS结构中，与源和门同时安装在硅顶部的漏极水平放置在硅片底部，从而充分利用硅片区域，基本实现垂直传导漏源电流，从传导电阻中去除JFET区域阻抗部分，减少RCH部分，获得高电流容量的前提条件。以GTR为例，设置具有高电阻率的n型漂移区，不仅增加了设备的压力容量，还减少了连接电容，稳定了通道长度。3.使用双扩散技术而不是光刻工艺控制通道长度，可以实现准确的短通道，降低通道阻力，提高操作速度，提高输出特性的线性性。1.2.1沟槽MOSFET表明，通道栅单元结构在导电阻论中有效减少JFET区域阻抗和槽阻抗部分，增加MOSFET中的电流需要较厚的n层，从而导致导电阻中Rd部分增加，电阻率较高的n型漂移区域可以减小实际需要的n层宽度。通过状态传导电阻论可以表示为：Ron=RCS rnrch ra rj rd rn rcd中，RCS是源极阻抗。RCH是沟槽阻抗。RJ是JFET区域阻抗。RN是n基板阻抗；RA是缓冲阻抗。RD是N-漂移区域阻抗。RCD是泄漏电阻系数。1.2.1槽MOSFET，槽MOSFET的剖面结构和阻力分布曲面，但是槽灌嘴结构存在一些缺点。通道宽度太大会增加连接电容，影响开关速度；短路电流可能太大。技术上的困难会减少产量。沟槽技术不仅适用于MOSFET，也适用于IGBT。如上所述，电力半导体器件发展历史上最重要的问题是想办法通过新的器件结构和半导体材料改善允许电压和传导压降之间的矛盾。功率MOSFET是单极装置，需要在允许电压和传导电阻之间进行综合考虑，同时需要在不降低设备性能的情况下减小设备大小。近年来，称为“超结”结构的三维结构概念被用于MOSFET制造应用中，在改善传导电阻和抗电压矛盾方面取得了显着的效果。该结构源于电子科技大学真成弼学者的中美发明专利5，主要思想是最大限度地提高电力设备漂移区浓度，向设备的其他维度引入新的电场，有效中和漂移区载流量，从而获得一定的击穿电压。1.2.2“超级节点”结构，“超级节点”结构图，1.2.2“超级节点”结构，“超级节点”结构的主要特征是将需要承受破坏电压的现有N-漂移区域与N区和p区交替，此区域的交替工作在水平方向的电场中，因此垂直其截面结构在图b所示的“超结”结构的MOSFET处于阻塞状态时，由N漂移区域和柱状p-区域形成的PN结边缘的空间电荷区域继续扩散，最终导致整个漂移区域完全耗尽，电位分布从源到泄漏端线性增加，电场分布趋于理想均匀分布。这样切断电压，不仅建立了垂直电场，还建立了水平电场，在不降低漂移区掺杂浓度的情况下实现了更高的切断电压，增加了N-漂移区的厚度和p区的厚度，以满足击穿电压的要求，因此“超结”结构的MOSFET通过状态电阻和切断电压接近线性关系。如图d所示，当“超级连接”结构的MOSFET处于传导状态时，电子从源极出发，通过N漂移区域到达泄漏极。N-漂移区由于掺杂浓度高，传导电阻明显降低。，1.2.2“超结”结构，理想的“超结”结构特性好，但仍难以实现过程，要通过多外延或蚀刻加离子注入方法实现，才能避免这些技术问题，提出了一些新的方案。例如，将“超结”结构与垂直导电双扩散MOS结构(VDMOS)相结合的“半超结”结构实际上是通过MOS系统而不是PN结提供额外电场的类“超结”结构，通过蚀刻氧化形成一定厚度的边缘氧，并以多晶硅或高浓度n或p提供电极，从而获得补偿，就像“超结”一样这种新方案基本上类似于“超级节点”结构，是对性能和工程难度的折衷。1.2.3“超级联接”结构，COOLMOS是使用为infiniun公司注册的“超级联接”结构的下一代MOSFET，广泛应用于多种低功耗电力电子设备8，与现有MOSFET相比，COOLMOS为1 .由于铅电阻的降低，使用镶针推出的COOLMOS、压力600V和800V的设备在相同核心区域条件下的铅电阻将分别减少到现有MOSFET的1/5和1/10。在相同的额定电流条件下，传导电阻分别减少到现有MOSFET的1/2到1/3。传导电阻的降低是COOLMOS相对于传统MOSFET的最大优势，而阻抗被命名为COOLMOS的主要原因。2.降低相同额定电流的COOLMOS内核减少到现有MOSFET的1/3到1/4，从而大大减少了COOLMOS的封装。1.2.3COOLMOS，3 .改进开关特性cool mos的栅极电荷和开关特性相关参数优于传统MOSFET。因此，COOLMOS在额定电压电流下提供了更好的高频性能，开关时间约为现有MOSFET的一半。4.段落工作安全区域COOLMOS的最大特征之一是具有现有MOSFET中没有的段落安全工作区(SCSOA)。COOLMOS获得SCSOA的主要原因是其传递特性的变化。COOLMOS的过渡特性随着栅源电压的增加，COOLMOS的泄漏极电流不能足够高，从而损坏设备，COOLMOS短路时耗散的功率受到限制，短路时管芯的热量降到最低。同时，由于内核的热阻降低，内核产生的热量可以快速分散到壳体和管子中，从而抑制内核的温度上升。但是，“超级联接”结构在电荷平衡过程中存在一定的困难，因此制造截止电压1000V以上的冷却mos存在很大的困难。此外，COOLMOS的内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导率很难达到现有MOSFET的技术指标，因此通常COOLMOS不适合于中功率和高功率转换器设备。1.2.3COOLMOS，1.3绝缘栅双极晶体管，绝缘栅双极晶体管(insolatedgatebigpoltransistor-IGBT)低工作频率，在20世纪80年代初，为了解决MOSFET的高传导电压，高电压、高电流特性和GTR都很难制造MOSFET和GTR的优点相结合，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单、驱动电流小等优点，通过状态电压降、高压和高电流等优点，发展速度很快。如结构图所示，IGBT相当于MOSFET驱动的厚基本区域GTR，它简化了等效电路，如图1-6所示。，图1-6IGBT的简化等效图，1.3绝缘栅极双极晶体管，1.3.1 IGBT应用的新设备制造技术1.3.2穿透IGBT1.3.3非穿透IGBT1.3.4结束IGBT1.3.5其他新IGBT，1.3绝缘栅极双极晶体管，1.3.1 IGBT应用的新设备制造1透明收集器技术透明收集器技术应用于收集器区域(底部)，将IGBT的收集器孔注入效率降低到0.5以下，实现了70%以上，使电子流在整个收集器的电流中发挥主要作用。当IGBT中断时，存储在n-区域中的过剩电子可以通过收集器区域快速流出并迅速终止。2电场终止技术(fieldstop)FS技术应用于n层(中间层)，在n层和p类型收集器区域之间添加宽度小于n-区域且掺杂浓度高于n-区域的n-缓冲层，使电场强度在该层中迅速减小到0，同时提高n-区域的电阻率，使薄压力层实现相同的击穿电压。1.3.1 IGBT中使用的新设备制造技术，3上层结构的新技术1。沟门技术：该技术与MOSFET的沟门技术概念完全一致，使用IGBT栅氧化物和栅电极在沟壁上形成垂直通道的沟槽的概念。2.表面载流子浓度增加技术：在普通IGBT中，从p型集电极区域注入n层的腔向上电荷转移过程中浓度逐渐减小，因此，n层中接近p型集电极区域的某些电导调制越弱，通过状态电阻越大。表面载流子浓度增加技术利用多种方法最大限度地提高该地区的电子共点对浓度，提高电导调制效果，降低稳态电阻。1.3.1 IGBT使用的新设备制造技术，1.3.2通式IGBT，PT型IGBT在内部有强大的发射器，在设备通过的情况下可以获得大量小数载流量。IGBT有一个在阻塞状态下电场分布不均匀的四边形，在一定的耐压情况下，n层设计得很薄，但其硅很厚，因此制造过程很复杂，价格比NPT型IGBT高。唯一的优点是正常压降小。1.3.3非穿透型IGBT的最大特征是使用了透明收集器技术。集电极电流大部分是电子电流，而不是空心电流，其工作机制以电导调制MOSFET为主。1.3.4终止IGBT，现场终止IGBT主要使用针对NPT型IGBT宽n-基本区域缺点优化的电场终止技术。图1-10是现场结束IGBT的结构。摘要，1.3.5其他新的IGBT，透明集电极沟槽栅终端IGBT(Trench，FS型IGBT)沟槽技术，FS技术和具有极低功率损耗的透明集电极技术；注入强化栅晶体管(IEGT)采用近地层注入载体浓度增强技术扩大PNP管间距，表面层注入载体增强技术、Trench技术、FS技术、透明集电极技术、高电导率高功率IGBT(higbt)有多种使用基于非透明收集器PT-IGBT的气穴层技术，可以显着降低总功耗；1.4集成浇口整流门(IGCT)的结构和