沟槽栅MOS-GCT的机理与特性研究

发布时间：2021-11-06 15:48

　　集成门极换流晶闸管（IGCT）是一种高压、大电流的电力半导体器件,在大功率领域已得到广泛使用。但由于IGCT的关断需要借助很强的电流脉冲来控制,导致其门极驱动电路很复杂。为了降低驱动电路的复杂度,本文提出了一种沟槽栅MOS-GCT结构,将沟槽pMOS管集成在GCT器件内部,以实现电压控制型的关断,从而简化驱动电路并缩小其体积。以4.5kV沟槽栅MOS-GCT为例,主要研究其工作机理、电学特性及其影响因素,并对其制作工艺进行了仿真分析。主要研究内容如下:首先,分析沟槽栅MOS-GCT的结构特点与工作原理,利用T-CAD软件对该结构进行建模仿真,研究了新器件的阻断、导通及开关机理及其寄生的pnp管和集成pMOS管效应。结果表明,通过在集成pMOS管上加负栅压来实现器件的快速关断,但阻断时必须施加负栅压为漏电流提供通路。其次,研究沟槽栅MOS-GCT的阻断、导通及开关特性,分析n-基区、p基区、n辅助层等结构参数对器件各项特性的影响;在此基础上研究了载流子寿命、温度变化以及过电应力条件对器件静、动态特性的影响,提取了优化后的结构参数。结果表明,p基区、n辅助层的浓度和厚度是影响器件特性的敏感... 

【文章来源】：西安理工大学陕西省

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

非对称GCT、逆导

西安理工大学硕士学位论文2降低。（a）非对称GCT（b）逆导GCT（c）双门极GCT图1-1非对称GCT、逆导GCT及双门极GCTFig.1-1AsymmetricGCT,reverseGCTanddual-gateGCT2007年ABB公司提出了波状基区GCT，如图1-2（a）所示，p基区由两部分构成，一部分是常规p基区，另一部分通过掩蔽在阴极区下方形成波状基区。这样使得J2结的结面不再是个平面结，而是呈波纹状。波状基区GCT可以提高GCT的电压容量并改善其反偏安全工作区[15]。2009年德美研发了双芯GCT，如图1-2（b）所示，它在同一个元胞内设置了两个材料物理参数不同的GCT，背面为GCT-A与GCT-B共同的阳极，正面设置了阴极和门极。双芯GCT的开通与关断利用不同的门极来控制，GCT-A采用中心门极来控制开通，GCT-B采用环形门极来控制关断。由于GCT-A的通态压降较低，GCT-B的关断能耗较低，由两者并联形成的双芯GCT同时具有低的开关损耗和导通损耗，节约了封装成本[16]。（a）波状基区GCT（b）双芯GCT图1-2波状基区GCT和双芯GCTFig.1-2CorrugatedbaseGCTanddual-coreGCT2012年ABB公司提出双模式逆导GCT[17]，如图1-3（a）、（b）所示，将GCT与二极管以不同的排列方式集成在同一个硅片上，与普通逆导型GCT不同，它将二极管的阳极与GCT的阴极交叉形成叉指状，由于背面有p+和n+区域，使得漏电流更小，二极管的反向恢复更软。同时提高了热阻，改善了电流能力。当BGCT中GCT﹕Diode的数量比为3﹕1时，硅片利用率达到最佳。在提出BGCT之后，2015年NeophytosLophitis等人发表了文章，表明此结构的每个二极管的截面呈三角形分布时芯片面积占用率大，并且

西安理工大学硕士学位论文2降低。（a）非对称GCT（b）逆导GCT（c）双门极GCT图1-1非对称GCT、逆导GCT及双门极GCTFig.1-1AsymmetricGCT,reverseGCTanddual-gateGCT2007年ABB公司提出了波状基区GCT，如图1-2（a）所示，p基区由两部分构成，一部分是常规p基区，另一部分通过掩蔽在阴极区下方形成波状基区。这样使得J2结的结面不再是个平面结，而是呈波纹状。波状基区GCT可以提高GCT的电压容量并改善其反偏安全工作区[15]。2009年德美研发了双芯GCT，如图1-2（b）所示，它在同一个元胞内设置了两个材料物理参数不同的GCT，背面为GCT-A与GCT-B共同的阳极，正面设置了阴极和门极。双芯GCT的开通与关断利用不同的门极来控制，GCT-A采用中心门极来控制开通，GCT-B采用环形门极来控制关断。由于GCT-A的通态压降较低，GCT-B的关断能耗较低，由两者并联形成的双芯GCT同时具有低的开关损耗和导通损耗，节约了封装成本[16]。（a）波状基区GCT（b）双芯GCT图1-2波状基区GCT和双芯GCTFig.1-2CorrugatedbaseGCTanddual-coreGCT2012年ABB公司提出双模式逆导GCT[17]，如图1-3（a）、（b）所示，将GCT与二极管以不同的排列方式集成在同一个硅片上，与普通逆导型GCT不同，它将二极管的阳极与GCT的阴极交叉形成叉指状，由于背面有p+和n+区域，使得漏电流更小，二极管的反向恢复更软。同时提高了热阻，改善了电流能力。当BGCT中GCT﹕Diode的数量比为3﹕1时，硅片利用率达到最佳。在提出BGCT之后，2015年NeophytosLophitis等人发表了文章，表明此结构的每个二极管的截面呈三角形分布时芯片面积占用率大，并且

【参考文献】：
期刊论文
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[2]第五届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会[J].   微纳电子技术. 2019(11)
[3]IGCT关断暂态温度特性及其电热模型[J]. 周亚星,卫炜,王佳蕊,孔力.  电工电能新技术. 2020(04)
[4]船用中压变频器电气间隙和爬电距离的应用研究[J]. 代科,郑海滨,尹传涛,李洁.  船电技术. 2018(11)
[5]IGCT在直流电网中的应用展望[J]. 曾嵘,赵彪,余占清,宋强,黄瑜珑,陈政宇,刘佳鹏,周文鹏,吕纲.  中国电机工程学报. 2018(15)
[6]5 kA/4.5 kV IGCT器件特性研究[J]. 陈勇民,颜骥,陈芳林,唐龙谷.  电力电子技术. 2018(04)
[7]电力电子新器件及其应用技术[J]. 王峰瀛.  工程技术研究. 2018(04)
[8]IGBT结构设计发展与展望[J]. 李碧姗,王昭,董妮.  电子与封装. 2018(02)
[9]FRD局域寿命控制技术的仿真研究[J]. 闫娜,关艳霞,宫兴.  集成电路应用. 2018(02)
[10]IGBT:创新与发展[J]. 冯江华.  大功率变流技术. 2017(05)

硕士论文
[1]MOS-GCT的关断机理与特性分析[D]. 曹康妮.西安理工大学 2018
[2]新型功率器件关键技术的研究[D]. 孙旭.电子科技大学 2018



本文编号：3480102