第一章 电力电子器件发展概述

1、教师简介：张大验楼3-202，高等电位技术，高级电力电子，第一章电力电子半导体器件，1，2，3，4，电力电子发展概述，功率金属氧化物半导体场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管，基本内容，5，6，1.1电力电子直到1970年，普通晶闸管开始广泛应用于工业应用中的功率控制。1970年后，各种类型的功率电子半导体器件相继出现并逐渐商业化。其中，碳化硅器件发展迅速，大多数实用的工业器件都是由硅材料制成的。这些器件大致可分为三类：功率二极管、晶闸管和晶体管1。随着电力电子器件应用范围的扩大和应用要求的提高，器件的发展要求越来越高，包括更高的功率容量、更低的开关损耗、更高的开关频率、更

2、紧凑的封装体积、集成化和模块化设计。大多数应用于电力电子设备的新技术都是围绕这些发展方向发展起来的。电力电子半导体器件的分类，1.1电力电子器件的发展概况，电力电子半导体器件的应用功率水平分布和频率分布，常用的晶闸管包括以下几类：强制换向晶闸管、关断晶闸管、反相导通晶闸管(IGCT)、静态导通晶闸管(SITH)、光触发可控硅整流器(LASCR)和金属氧化物半导体关断晶闸管(MTO)。晶闸管的发展方向也是增加单个晶体管的功率容量和增加器件开关的控制程度，其中IGCT和SGCT将GTO芯片与栅极驱动电路集成在一起，然后在外围用低电感将它与栅极驱动器相连，这结合了晶体管和晶闸管的优点。传统的GTO器

3、件很难关断，因此需要在栅极施加约为器件额定电流1/3的驱动电流，并在1内将阴极的所有电流吸出，以保证其快速关断。然而，IGCT关断是一个快速瞬态过程，器件在晶体管模式下完全关断，从而确保完全受控和均匀的关断，这在大功率电流源转换器和变频器中广泛使用。有四种类型的晶闸管和巨型晶体管：BJT，功率MOSFET，IGBT和SIT。其中，IGBT和功率场效应晶体管是应用最广泛的电力电子器件，从直流输电到生活中的各种家用电器。由于这两种器件主要用于中等功率场合，与功率容量的提高相比，各器件公司主要侧重于降低损耗，并推出了新一代的IGBT和MOSFET器件，其中比较典型的技术优化是沟槽栅结构和垂直导电技术

4、的广泛应用，IGBT也有场终端技术和空穴阻抗技术，功率MOSFET的典型代表是“超结”技术。新半导体材料在这两种器件中的应用基本上处于实验室阶段。1.1.3巨型晶体管功率金属氧化物半导体场效应晶体管出现于20世纪70年代末，其出现主要源于20世纪70年代中期金属氧化物半导体技术的发展。与传统的双极型开关晶体管(BJT)不同，场效应晶体管是一种场效应晶体管器件，它是一种单极电压控制器件。在导通状态下，只有多数载流子工作，因此与电流控制器件相比，所需的驱动功率非常小，并且多数载流子导通的功率金属氧化物半导体场效应晶体管的开关时间显著缩短，因此很容易达到100KHZ以上的开关频率。功率金属氧化物半导

5、体场效应晶体管是低电压(200伏)范围内最好的开关器件，但在高电压应用中，其最大特点是导通电阻随着耐压到2.5的功率而急剧上升，给高压功率金属氧化物半导体场效应晶体管的应用带来很大困难。因此，场效应晶体管的技术优化基本上从这一点开始。1.2功率金属氧化物半导体场效应晶体管，沟槽技术最早出现在功率放大器和功率转换器件的功率金属氧化物半导体场效应晶体管中，它在传统金属氧化物半导体器件的基础上进行了三大改革：1 .垂直安装漏电极实现垂直导通，将传统金属氧化物半导体结构中水平安装在硅晶片顶部的漏电极与源、栅电极改装在硅晶片底面，充分利用硅晶片面积，基本实现了漏源电流的垂直导通，消除了导通电阻2中的JF

6、ET电阻。模拟GTR设置高电阻率的N型漂移区，不仅提高了器件的耐压能力，而且降低了结电容，稳定了沟道长度。3.用双扩散技术代替光刻控制沟道长度可以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，使输出特性具有良好的线性度。1.2.1沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管，可以看出，一方面，沟槽栅单元结构在降低JFET电阻和沟槽电阻方面非常有效；另一方面，提高金属氧化物半导体场效应晶体管的耐压需要一个厚的n层，这将导致导通电阻中的Rd部分增加，而高电阻率的n型漂移区可以减小实际需要的n层宽度。导通状态导通电阻Ron可表示为：RON=RCS RN RCH RA RJ RD RN RCD，其中RCS为源阻

7、抗；RCH是沟槽阻抗；RJ是JFET地区的阻抗；RN为n衬底阻抗；RA是缓冲阻抗；RD为氮漂移区阻抗；RCD是漏极阻抗。1.2.1沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管的截面结构和电阻分布是示意性的，但沟槽栅结构也有一些伴随的缺点：沟道宽度过大会导致结电容增加，影响开关速度；它可能导致过大的短路电流；这在技术上很困难，会降低产量。此外，沟槽技术不仅适用于场效应晶体管，也适用于IGBT。如上所述，功率半导体器件发展史上最重要的问题是如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐压和导通压降之间的矛盾。作为单极性器件，功率金属氧化物半导体场效应晶体管需要综合考虑耐压和导通电阻，同时在不降低器件性能的情况下减小

8、器件尺寸。近年来，一种被称为“超结”结构的三维结构概念已被用于金属氧化物半导体场效应晶体管的制造应用中，并在改善导通电阻和耐压之间的矛盾方面取得了显著的效果。该结构来源于中国电子科技大学陈兴碧院士的中美发明专利5。其主要思想是通过尽可能增加功率器件的漂移区的浓度，即通过在器件的不同尺寸中引入新的电场，有效地中和漂移区中的载流子，从而获得一定的击穿电压。1.2.2“超结”结构，“超结”结构示意图，1.2.2“超结”结构，“超结”结构的主要特点是用N区和P区的交替取代传统方式中必须承受击穿电压的N漂移区，该区的交替工作在水平电场中， 当具有“超结”结构的金属氧化物半导体场效应晶体管处于阻挡状态时，

9、由N型漂移区和柱状P型区形成的PN结边缘的空间电荷区不断扩散，最终导致整个漂移区完全耗尽，电位分布从源端到漏端呈线性增加，电场分布趋于理想和均匀。 这样，阻挡电压不仅建立了纵向电场，还建立了横向电场，即在不降低漂移区掺杂浓度的情况下实现了较高的阻挡电压，只需要增加N漂移区的厚度和P漂移区的厚度，就可以满足击穿电压的要求。因此，具有超结结构的金属氧化物半导体场效应晶体管的导通电阻与阻断电压近似成线性关系。当具有“超结”结构的场效应晶体管处于导通状态时，如图4所示，电子从源极开始，然后到达漏极1.2.2“超结”结构，理想的“超结”结构具有良好的特性，但在技术上难以实现，必须通过多次外延或刻蚀加离子

10、注入来实现。为了避免这些技术问题，提出了一些新的方案。例如，将“超结”结构与垂直导电双扩散金属氧化物半导体(VDMOS)结构相结合的“半超结”结构，实际上是一种“超结”结构，用金属氧化物半导体系统代替PN结来提供额外的电场，即通过刻蚀和氧化形成一定厚度的边缘氧，用多晶硅或高浓度的氮或磷来提供电极，从而像“超结”一样提供新的补偿电场。这个过程相对简单。这些新方案基本上类似于“超级结”结构，这是性能和工艺难度之间的折衷。1.2.3“超结”结构，COOLMOS是英飞凌注册并推出的新一代“超结”结构场效应晶体管，已广泛应用于各种中小功率电子器件。8.与传统的金属氧化物半导体场效应晶体管相比，酷金属氧化

11、物半导体场效应晶体管具有以下优点：1 .英飞凌推出的降低导通电阻COOLMOS与传统金属氧化物半导体场效应晶体管具有相同的芯片面积条件。在相同的额定电流条件下，导通电阻降低到传统金属氧化物半导体场效应晶体管的1/21/3。导通电阻的降低是酷MOS相对于传统MOSFET的最大优势，也是英飞凌将其命名为酷MOS的主要原因。2.在相同额定电流下，COOLMOS封装的管芯尺寸减小到传统金属氧化物半导体场效应晶体管的1/31/4，因此COOLMOS的封装尺寸也可以大大减小。1.2.3 COOLMOS，3。开关特性的改善COOLMOS的栅极电荷和与开关特性相关的参数优于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管。

12、因此，在额定电压和电流下，COOLMOS具有较好的高频性能，其开关时间约为传统金属氧化物半导体场效应晶体管的1/2。4.短路安全区COOLMOS的最大特点之一是它有短路安全区(SCSOA)，但传统的金属氧化物半导体场效应晶体管不具备这一特点。COOLMOS获得SCSOA的主要原因是其传输特性的变化。COLOMOS的传输特性表明，随着栅源电压的增加，COLOMOS的漏极电流不会上升到足以损坏器件的程度，并且COLOMOS在短路期间消耗的功率是有限的，这尽可能地减少了短路期间管芯的发热。同时，由于模具热阻的降低，模具产生的热量可以快速散发到壳体，并且抑制了模具温度的升高。但是，由于“超级结”结构在

13、电荷平衡过程中比较困难，所以很难制造出阻断电压在1000伏以上的COOLMOS。另外，COOLMOS内部寄生反向二极管的反向恢复特性和导电率很难满足传统场效应晶体管的技术指标，因此COOLMOS一般不适合中、大功率变换器器件。1.2.3 COOLMOS、1.3绝缘栅双极晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)，是20世纪80年代初为解决场效应晶体管导通电压高、高电压大电流特性制造困难、GTR工作频率低、驱动电路功率大等问题而出现的双机制复合器件。由于它结合了场效应晶体管和GTR的优点，不仅具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单、驱动电流小的优点，而且具有导通压降小、耐压高、承载电流大的优

14、点，所以发展迅速。从结构图可以看出，IGBT相当于一个由金属氧化物半导体场效应晶体管驱动的厚基极GTR，其简化等效电路如图1-6所示。图1-6 IGBT、1.3绝缘栅双极晶体管、1.3.1应用于IGBT的新器件制造技术、1.3.2穿通IGBT、1.3.3非穿通IGBT、1.3.4场端接IGBT、1.3.5其他新IGBT、1.3绝缘栅双极晶体管、1.3.1应用于IGBT的新器件制造技术的简化等效图1透明集电极技术透明集电极技术应用于集电极区域(下层)，将IGBT集电极的空穴注入效率降低到0.5以下，因此电子流在通过集电极的总电流中起主要作用，一般达到70%以上。当IGBT关闭时，存储在n区的剩余

15、电子可以通过集电极区快速流出，从而实现快速关闭。将场停止(FS)技术(FS technology)应用于N层(中间层)，其核心是在N层和P型集电极区之间增加一个宽度比N区小、掺杂浓度比N区高的N缓冲层，使层内的电场强度迅速降低到零，同时提高了N区的电阻率，从而使较薄的耐压层可以达到相同的击穿电压。1.3.1应用于IGBT的新器件制造技术，3上部结构新技术，1。沟槽栅技术：该技术完全符合MOSFET沟槽栅技术的概念，即利用沟槽的概念使沟槽侧壁上的IGBT栅氧化层和栅电极形成垂直沟道。2.近表面载流子浓度增加技术：在一般IGBT中，从P型集电极区注入到N层的空穴浓度在向上的电荷运动过程中逐渐降低，

16、因此N层离P型集电极区越近，电导调制越弱，导通电阻越大。所谓近表面载流子浓度增加技术，就是利用各种方法尽可能地增加该区域的电子-空穴对浓度，从而增强电导调制效应，降低导通电阻。1.3.1应用于IGBT的新器件制造技术，1.3.2穿通IGBT和PT IGBT内部具有强发射极，因此当器件处于导通状态时，可以获得大量的少数载流子。当IGBT被阻挡时，电场分布为不规则四边形。对于一定的耐受电压，n层可以设计得非常薄。然而，由于其厚的硅晶片，制造工艺复杂，价格比IGBT的高。它唯一的优点是导通状态电压降小。无穿孔IGBT的最大特点是采用透明收集器技术。集电极电流主要是电子电流，而不是空穴电流，其工作机制主要是电导调制场效应晶体管。1.3.4场端接IGBT采用电场端接技术，主要是针对NPT IGBT宽n基区的缺点而优化的。图1-10显示了场终止IGBT的结构。1.3.5其他新IGBT(Trench (FS IGBT)，结合了沟槽技术、FS技术和透明集电极技术，具有极低的功率损耗；注入增强型栅极晶体管(IEGT)采用近表层注入载流子浓度增强技术，拓宽pnp管间距，并将表层注入载流子增强技术与沟槽技术、飞秒技术和透明集电极技术相结合。IGBT(高电导率IGBT)有许多不同的结