高压IGBT的建模与仿真

论文摘要

功率器件的应用推动了电力电子行业的迅速发展。一个理想的功率器件,希望其在关断时具有非常高的耐压能力,在通态时具有较低的正向压降;不仅能够承受非常大的电流密度,还具有较高的开关速度。然而,在实际的设计过程中,需要在上述需求之间进行折中,来达到预期的设计目标。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）从1982年开始商业化,之后得到迅猛的发展。目前,国外公司已经成功推出性能优异的第六代产品。然而,国内却不能生产IGBT。没有国内产品的竞争,使得其价格非常昂贵。因此,需要加紧研制具有自主知识产权的IGBT器件。本论文简要介绍了IGBT的理论知识,包括器件的工作原理,闩锁效应,工作模式,击穿电压和开启关断过程等。论文使用器件仿真工具Medici对设计的器件结构进行仿真。IGBT的纵向结构分为NPT（非穿通）和PT（穿通）两类,其它的结构都可以划到这两个之中的一个。本论文分别对两种器件的结构进行了研究和设计,通过仿真熟悉了参数对器件性能的影响,并对器件结构进行了优化。最终得到的结果分别为:NPT结构在300K时,阈值电压为3.6V,正、反向击穿电压分别为1183.2V和1217.6V,正向压降为1.24V,开启时间大约是0.1μs,关断时间略小于1.1μs;PT结构在300K时,阈值电压大约为2.9V,正向击穿电压为1204.7V,正向导通压降为1.1V,开启时间小于0.1μs,关断时间为1.2μs。论文的最后对两种结构在P+阳极区厚度和浓度、N-漂移区的载流子寿命、击穿特性,以及正向导通压降和关断时间等方面进行了对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 IGBT的提出以及模型建立
• 1.2.2 关断时间的优化
• 1.2.3 新型结构和发展动态
• 1.2.4 主要产品
• 1.2.5 国内研究现状
• 1.3 课题的目的和意义
• 1.4 论文主要工作
• 第2章 IGBT的基础理论以及软件简介
• 2.1 IGBT的工作原理
• 2.2 IGBT的工作模式
• 2.3 IGBT的纵向结构
• 2.3.1 穿通型结构
• 2.3.2 非穿通型结构
• 2.3.3 两种结构的比较
• 2.4 Medici软件简介
• 2.4.1 物理描述
• 2.4.2 模型的选用
• 2.4.3 网格划分
• 2.4.4 解方程的收敛问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 NPT型IGBT的设计
• 3.1 NPT型IGBT的设计基础
• 3.2 NPT型IGBT的结构设计
• 3.3 参数对器件性能的影响
• 3.3.1 栅氧厚度对阈值电压的影响
• 3.3.2 沟道长度对器件性能的影响
• 3.3.3 P阱掺杂浓度对器件性能的影响
• +源极掺杂浓度对器件性能的影响'>3.3.4 N⁺源极掺杂浓度对器件性能的影响
• +阳极区对器件性能的影响'>3.3.5 P⁺阳极区对器件性能的影响
• 3.4 优化设计与仿真结果
• 3.4.1 转移特性
• 3.4.2 正向导通特性
• 3.4.3 NPT结构的击穿特性
• 3.4.4 NPT结构的动态特性
• 3.5 本章小结
• 第4章 PT型IGBT的设计
• 4.1 PT型IGBT的设计基础
• 4.2 PT型IGBT的结构设计
• 4.3 参数对器件性能的影响
• +缓冲层的厚度对器件性能的影响'>4.3.1 N⁺缓冲层的厚度对器件性能的影响
• +缓冲层的浓度对器件性能的影响'>4.3.2 N⁺缓冲层的浓度对器件性能的影响
• 4.4 优化与仿真结果分析
• 4.4.1 栅极特性
• 4.4.2 正向导通特性
• 4.4.3 击穿特性
• 4.4.4 动态特性
• 4.5 两种结构的性能对比
• +阳极区的厚度和浓度'>4.5.1 P⁺阳极区的厚度和浓度
• -漂移区的厚度和载流子寿命'>4.5.2 N^-漂移区的厚度和载流子寿命
• 4.5.3 击穿电压
• 4.5.4 正向压降与关断时间
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢