（毕业论文）80V LIGBT优化设计

中文摘要中文摘要LDMOS器件具有击穿电压高、工艺简单、易于与低压电路集成等优点，因而常常应用于高压集成电路中。本文设计了80V LIGBT的优化模型，对其耐压特性、电流特性进行了优化。测试软件采用MEDICI,最后实现对器件的优化参数测试。关键词：智能功率集成电路，LIGBT，耐压，MEDICI。- I -目录 Abstract LDMOS devices have such advantages as high breakdown voltage, relatively simpler process, easy to be integrated with low-voltage circuits and so on. Thus they are often applied in high-voltage integrated circuits. This passage designed a model of 80V LIGBT. The withstand voltage and current charactristic have been optimised in this model .The MEDICI has been used to test the data.Key Words: SPIC,LIGBT，WITHSTAND VOLTAGE，MEDICI目录 目录- -第一章 绪论11.1 SPIC的介绍11.1.1 SPIC 的定义11.1.2 SPIC 的发展概况21.1.3 SPIC的发展趋势51.2 主要功率器件及其发展概况61.2.1 功率二极管61.2.2 半控型器件电力电子器件671.2.3 第二代全控型器件电力电子器件81.2.4 新型功率器件111.3 功率半导体在经济中的突出作用15第二章 IGBT的基本理论及参数182.1 横向功率器件LIGBT的产生182.1.1 表面SIGNAL RESURF技术192.1.2 表面DOUBLE RESURF技术212.1.3 场板技术242.2 IGBT的结构及工作252.2.1 LIGBT的结构及特性272.2.2 几种常见的LIGBT结构272.3 IGBT的主要参数302.4 IGBT的特性312.4.1 反向阻断能力312.4.2 正向阻断能力322.4.3 正向导通能力332.4.4 IGBT的开通特性342.4.5 IGBT的关断特性352.4.6 IGBT的安全工作区362.5 PT与NPT型IGBT362.5.1 穿通型(PT)IGBT介绍372.5.2 非穿通型(NPT)IGBT介绍372.5.3 PT型与NPT型IGBT的比较38第三章 LIGBT的结构设计与仿真433.1 仿真环境MEDICI介绍433.1.1 MEDICI的特点433.1.2 MEDICI的求解方程和求解方法443.1.3 MEDICI 器件模拟的常用模型46第四章 80V LIGBT优化设计514.1 耐压特性.514.2 软件仿真代码.514.3 仿真与结果分析.55 第5章 总结.62参考文献 .63 致谢.65 附录.66 第一章 绪论第一章 绪论科学技术的飞速发展，使半导体技术形成两大分支：一个是以大规模集成电路为核心的微电子技术，实现对信息的处理、存储与转换；另一个则是以功率半导体器件为主，实现对电能的处理与变换。功率半导体器件与大规模集成电路一样具有重要价值，在国民经济和社会生活中具有不可替代的关键作用。在半导体发展初期，由于工艺的限制，使得微电子技术发展远远大于功率半导体器件的发展。当微电子技术发展到一定程度的时候，人们对于功率器件的需求越来越大，对于其性能的要求也越来越大，从而微电子技术的发展开始推动功率器件(Power Device)和功率集成电路(PIC)的发展。从而形成如今微电子和功率电子并行发展的良好局面2。1.1 SPIC的介绍智能电源管理集成电路或智能功率集成电路(Smart Power IC,SPIC)是一种典型的混合信号电路。这类电路把模拟、数字和电源控制集成在一个芯片上，如汽车驱动电路、喷墨打印驱动电路、小型摄像机和便携光盘机驱动电路、集成传感电路等。1.1.1 SPIC 的定义功率集成电路(PIC)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。以往，一般将其分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类。但随着PIC的不断发展，两者在工作电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能功率集成电路3。广义而言，SPIC是控制电路与功率负载间的接口电路，其最简单的电路包括电平转移和驱动电路。它的作用是将微处理器的逻辑信号电平转换成足以驱动负载的电压和电流电平。目前SPIC的基本功能有功率控制、传感、保护及接口等，其组成结构可参见图1-1所示4。接口功能需要逻辑电路来完成编码和解码，这样就可以从中央微处理机引入信号，并将关于智能功率芯片及其负载状态的信号送回到微处理机中。由于在功率电路中工作温度和dV/dt瞬态高，逻辑部分中CMOS晶体管的设计是很复杂的。传感和保护电路通常是用模拟电路来实现的，这些电路必须能感受过热、过流、过压及欠压等不利的工作条件，并将其转换成相应的电信号传送给控制电路或处理器。图 1-1 SPIC的典型组成结构图电路中所用的晶体管常须具有高频响应性能，因为例如在短路情况下di/dt很高，反馈环路应能很快反应以防止电流增大到破坏性的程度。功率控制部分主要使用MOS栅功率器件来完成。在大功率应用的情况下，在输出部分使用分立功率器件来实现该系统。当需要较大驱动能，在工艺许可条件下也有使用双极型或VDMOS一类功率器件来实现4。在较低的功率级别中，如在灯镇流器和马达控制等应用中、功率器件通常与智能功率芯片的其余部分集成。智能功率集成电路的应用不断扩大，现在基本上已经应用到了航天、航空、航海、汽车电子、家用电器等各个领域。1.1.2 SPIC 的发展概况在数字集成电路按摩尔定律飞速前进时，功率半导体器件也得到了很大的发展，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、SiC功率器件、MOS栅控晶闸管(MCT:MOS Controlled Thyristor)等新型功率器件相继问世。功率半导体器件的性能对功率电子系统性能的改善起着重要的作用。在二十世纪五十年代由于引入双极功率晶体管，功率电子系统发生了从以电子管为基础向以半导体器件为基础的转变。在此后的二十多年里，器件在功率处理能力和开关速度方面的改善对功率电子系统尺寸的缩小和价格的降低起到了决定性的作用。但是，由于这些电流控制型双极器件需要较大的输入功率，因此其控制电路因需要用分立元件而变得复杂，这阻碍了功率电子系统尺寸和价格的进一步降低。随着CMOS集成电路的发明，采用新型MOS功率器件在上世纪70年代成为可能。由于MOSFET是一种电压控制型器件，能用很小的稳态电流输入实现器件的开关，控制电路可同时实现集成。所以基于MOSFET的功率电子系统的复杂度大大提高，尺寸也大为减小。同时，因为MOSFET是单极型器件，不受少数载流子存储效应的影响，与存储电荷相关的延迟大大减小，相比双极型器件有较高的开关速度和较高的截至频率。由于市场对于电子系统的可靠性、功耗、工作速度、以及体积大小等提出了更高的要求，出现了将功率半导体器件、逻辑控制电路和保护电路等集成在单一芯片上的功率集成电路(PICS: power Integrated Circuits)。目前功率集成电路技术主要包括隔离技术、结终端技术、工艺兼容技术、逻辑电路和驱动电路技术。这些技术是各种集成电路或功率器件的基础技术。要实际地做出质量可靠、性能优异的功率集成电路芯片其重点就在于如何将耐高压的功率器件与低压的CMOS电路的工艺很好地兼容起来，在材料的选择、杂质浓度的调整、结深的控制、杂质分布的确定等方面如何互相兼顾和优化，以及对高压功率器件的结构如何进行相应的调整等等。而且设计功率集成电路除了要考虑需耐压特殊性之外，更为关键的是还要考虑高电压的功率器件和低电压的集成电路器件之间的隔离问题。要使用适宜的隔离方法保证与集成电路工艺的兼容，才能使得功率集成电路成本下降。从大体趋势上看，SPIC正逐步成为工业自动化、电力技术、汽车制造业以及通讯产业等领域内的实用器件。迄今已有系列SPIC产品问世，包括功率MOS智能开关、半桥或全桥逆变器、两相步进电机驱动器、三相无刷电机驱动器、直流电机单相斩波器、PWM专用SPIC、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。微电子技术与功率MOS的发展使SPIC更具有吸引力。BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺的进步为智能功率技术带来了突破性的变革，推动了面向系统的高智能功率技术的产生与发展。早期的BCD工艺采用4mm设计规则，95年为1.2mm，目前正向亚微米级发展。九十年代中期，一个典型的BCD工艺可集成VDMOS、LDMOS、NPN晶体管(VCEO 30V或VCEO 16V 1GHZ ft)、1.2mm 5V CMOS、12V CMOS、高低压LPNP晶体管、高压NMOS、低漏电流二极管、EPROM、EEPROM、永久性存储器(NVM)、5V 隐埋齐纳二极管、5V/20V/60V介质电容、扩散电阻和高阻多晶电阻。向小尺寸发展并采用多层金属结构使功率器件的导通电阻降低，电流密度和效率提高，提高了CMOS电路的集成度，同时削弱了将SPIC电路各单元集成在一起时温度、压力的扩散与电势梯度带来的负面影响。与此同时，BCD工艺向模块化、灵活化发展，其基本工序标准化而混合工艺则由这些基本工序组合而成。当今BCD工艺中的CMOS与纯CMOS完全兼容，现有的图形单元库可以直接被混合工艺电路调用。BCD工艺的发展使许多复杂的功能可以集成，SPIC的设计更加灵活、方便，设计时间和费用大幅度减少。这样一来，出现了将微处理器、存储器等系统的核心单元与接口、电源、保护、功率器件等单元单片集成的高智能化功率系统，也即面向系统的高智能功率技术。SPIC总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、速度更快和功能更全。目前SPIC的主要研究内容为：针对包括多个大功率器件的单片SPIC的研究；能在高温下工作并具有较好坚固性的SPIC的研究，以便将其直接嵌入设备内；开发高成品率、低成本工艺的研究；大电流高速MOS控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。SPIC的下一个目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之具备系统功能，进而实现单片式功率系统的集成35-38。东芝公司已研制成功用于AC220V的550V/1A三相逆变器IC，其芯片面积仅26mm2，但高度智能化。该IC由六个LIGBT和高速软恢复二极管(SFD)组成逆变电路，有高低端驱动电路、电源电路、20KHz振荡器、PWM控制电路、过流保护电路、过热关断电路和启动限流电路5。SPIC中的垂直型器件的击穿电压一般限制在250V左右，单片式功率系统多采用为横向型MOS功率器件(主要为LIGBT)。目前，单片式功率系统一般用介质隔离技术，其工作电压和功率较低(在600V/1KW范围内)，且生产成本较高，主要用于军用和航空、航天等领域，而大功率系统中主要采用由驱动和保护SPIC与分立大功率器件IGBT或VDMOS组成的智能功率模块(Intelligent Power Modules, IPM)。因此，高性能的横向MOS功率器件与MOS栅驱动与保护SPIC是当前SPIC研究中的重要内容。其中，横向MOS功率器件的研究目标是高压、大电流、高速且具有自保护功能。目前常用的横向MOS功率器件包括LDMOS、SINFET、HSINFET、LEST、LMCT和LIGBT等多种结构。LDMOS的导通电阻大，只适用于高频小电流领域；受少数载流子肖特基势垒高度和势垒界面处表面浓度的影响，SINFET和HSINFET的输出特性离散性大，并且不能采用缓冲层，肖特基二极管容易与衬底或p体区穿通；LEST的正向压降和关断速度并不优于LIGBT，而LMCT的电流关断能力则受电流局部聚集现象的限制。因此，集MOS栅控制和双极型电导调制于一体，具有高输入阻抗、低导通压降、高击穿电压及与CMOS/BiCMOS工艺相兼容等特点的LIGBT成为当前SPIC中的主流器件。在航空、航天、先进的通信系统、武器系统等方面，由于工作在高频甚至微波频率下，以及要求整机具有极高的可靠性、稳定性和尽可能小的体积，这时，SPIC有着功率组件和功率模块无法替代的优势。目前SPIC产品主要由国家半导体、摩托罗拉(Motorola)、IXYS、Harris、SGS、德州仪器(TI)、国际整流器(IR)、三垦、东芝、日立等几家世界着名的大半导体公司提供，它们业已将SPIC产品系列化，标准化，市场垄断的趋势日益明显5。解决能源紧张，降低能源消耗，提高能源利用率是国内能源产业的当务之急，而实现功率电子装置的小型化、智能化、节能化则是一个重要途径，SPIC在此领域内将会大有作为。1.1.3 SPIC的发展趋势SPIC经历了漫长的发展过程，到了现在虽然在市场上占了一定的比重，但一个产业要在市场中站稳脚跟，必须时时在发展。特别是随着现在工艺上面的新破。新工艺的引进，使很多新的想法成为可能，所以SPIC也在向着新的方向发展，下面讨论其它未来几年可能的发展趋势。1.1.3.1 SPIC向PSoC方向发展3虽然国际上迄今已有系列单片功率集成电路产品问世，功率电子学在新型功率半导体器件的推动下也得到迅速发展，但却鲜见片上功率电子学的研究。最近，电子科技大学结合SoC和智能功率集成电路的发展，提出PSoC(Power System on Chip)的概念，并开展了PSoC电路新的调制、控制理论和PSoC功率器件集成基础理论和集成技术等PSoC基础理论研究，在国际上首次建立了跨周期PSM控制理论，提出了极限电流模糊控制模式，并开展了跨周期调制下的频率抖动技术研究。SOI(Silicon On Insulator)集成工艺技术是下一代硅集成技术的主流技术之一，同时在硅功率半导体技术中也有广阔的应用前景。2001年，英国Cambridge大学的Udrea教授等人采用3D-RESURF技术，在4m的绝缘层上模拟得到600V的SOI器件耐压。2002年，加拿大Toronto大学的Salama教授小组也采用Super junction技术在SOI上设计了0.5A、150V横向功率MOSFET。2001年，瑞典Uppsala大学的Heinle和Olsson等人在厚硅层SOI上通过深槽技术实现了高低压器件直接完全介质隔离，研制出了耐压为420V和600V的SOI晶体管。2002年Philips公司利用A-BCD3工艺，在0.6微米的硅层上实现了180V的SOI-LDMOS。国内电子科技大学在北京大学和中电集团第24研究所的协助下，初步研制出耐压为1000V的SOI基横向功率MOS型器件和SOI基SPIC。近期电子科技大学又在国际上率先提出槽形埋层二氧化硅结构等新技术，有效地提高了SOI器件的耐压。SPIC总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。目前SPIC的主要研究内容为：开发高成品率、低成本工艺且兼容于CMOS和BiCMOS的研究；针对包括多个大功率器件的单片SPIC的研究；能在高温下工作并具有较好坚固性的SPIC的研究；大电流高速MOS控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。SPIC的下一个目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之具备系统功能，进而实现单片式功率系统的集成。最近，陈星弼院士提出了一种与CMOS工艺完全兼容的新的横向耐压结构，采用该项专利技术生产横向器件，工艺上与CMOS兼容，器件的关键技术指标远优于目前国际水平。1.1.3.2 SPIC向系统功率集成发展3在大功率集成领域，以智能功率模块(IPM)与IPEM为代表的混合集成技术已经得到迅速发展，前者已经被大量运用于变频调速、马达驱动等多种场合。IPM是一种混合集成电路，又称为IGBT智能化功率模块，它将包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个芯片通过焊丝(或铜带)连接，封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。由于外部接线和焊点减少，可靠性明显增加。但由于IPM内各功率元件与控制等电路是靠焊丝连接的不同芯片，焊丝引入的线电感与焊丝、焊点的可靠性限制了IPM的进一步发展。为此，美国电力电子系统中心(CPES)在美国ONR和NSF的支持下，提出了IPEM(后又发展成PEBB：Power Electronic Building Block这一新概念)这一系统集成概念。IPEM是将信息传输、控制与功率半导体器件通过共烧瓷片的多芯片模块MCM-C技术进行连接，所有的无源元件都是以埋层的方式掩埋在衬底中，完全取消了传统模块封装中的焊丝键合工艺，取而代之的则是三维立体组装，并采用三维热处理方式以增加散热。IPEM的元件间不用焊丝连接以增加系统可靠性，大大降低了电路接线电感，提高了系统效率。INTEL、IR公司等也开展了类似的系统功率集成研究(如IR的iPOWIR)。1.2 主要功率器件及其发展概况功率半导体器件就是在功率电子电路中用作开关或整流的半导体器件，它主要包括三个方面，分别是：以双极性器件为主的传统功率半导体器件(如功率二极管)，以MOSFET和IC为主的现代功率半导体器件以及在前两者基础上发展起来的特大功率器件。1.2.1 功率二极管功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目前商业化的功率二极管主要是PiN功率二极管、肖特基势垒功率二极管和同步整流器。PiN功率二极管有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点，但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度，限制了电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率，但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成2.5次方的矛盾关系，阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用，加之肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在200伏以下的电压范围内。为了获取高压、高频、低损耗功率二极管，研究人员正在两个方向进行探索。一是采用新材料研制肖特基势垒功率二极管，二是沿用成熟的硅基器件工艺，通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系。砷化镓(GaAs)肖特基势垒功率二极管虽然已经获得应用，但其1.42eV的禁带宽度和仅1.5倍于硅材料的临界击穿电场，使得GaAs肖特基势垒功率二极管也只能工作在600伏以下的电压范围内，远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。碳化硅(SiC)材料以其宽的禁带宽度、高的临界击穿电场、快的饱和速度、高的热导率、高硬度、强抗化学腐蚀性和可与Si相比较的迁移率特性，以及其较为成熟的材料制备和制作工艺，成为目前发展最快的宽带半导体材料，是功率半导体器件的研究热点。在由美国海军资助的MURI项目中，Purdue大学研制成功4900伏的SiC肖特基势垒功率二极管。2000年5月，美国CREE公司与日本关西电力公司(KEPCO)联合研制成功世界上第一只超过1.2万伏的SiC二极管，这只耐压高达12.3KV的二极管，正向压降在电流密度为100A/cm2时仅为4.9V，目前CREE与KEPCO研制的SiC二极管耐压已高达19.2KV。在硅基功率二极管方面，结合PN结低导通损耗、优良的阻断特性和肖特基势垒二极管高频特性两者优点于一体的JBS、MPS、TMBS、TMPS等新器件正逐渐走向成熟。此外，为开发具有良好高频特性和优良导通特性的高压快恢复二极管，许多通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结构，如SSD、SPEED、SFD、ESD、BJD等也不断出现。美国国家工程中心电力电子系统中心(CPES)提出的MOS控制二极管(MCD)，通过单片集成的MOSFET控制PiN二极管的注入效率，使MCD正向导通时既能有PiN二极管的大注入效应，在关断时又处于低的甚至零过剩载流子存储状态，从一个全新的角度提出了改善高压二极管中导通损耗与开关频率间矛盾关系的新方法。随着VDSM(超深亚微米)工艺的发展，微处理器、通信用二次电源等都需要低电压大电流功率转换器。随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为转换器的主要损耗。为使变换器效率达到90%以上，传统的肖特基势垒整流器已不再适用，一种利用功率MOSFET低导通电阻特点的同步整流器(SR)及同步整流技术应运而生，低导通损耗功率MOSFET的迅速发展为高性能同步整流器提供了强大的物质基础3。1.2.2 半控型器件电力电子器件6半控型器件就是能够控制器件的开启，但很难控制器件的关断。上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低(一般低于400Hz)，大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了条件。 1964年，双向晶闸管在GE公司开发成功，应用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管出现，为其后出现的光耦合器打下了基础； 60年代后期，大功率逆变晶闸管问世，成为当时逆变电路的基本元件； 1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。) a: g; w0 F; b7 H9 z普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频(400Hz以下)领域，运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前水平为12kV/1kA和6500V/4000A。+ z P 7 c( p d2 3 R. T2 P8 W4 R4 _/ l+ i1 O双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其水平已超过2000V/500A。、 ) S5 p, K$ d光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电(HVDC)、静止无功功率补偿(SVC)等领域。其研制水平大约为8000V/3600A。B-逆变晶闸管因具有较短的关断时间(1015s)而主要用于中频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范围之内。( b m(非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导晶闸管不过是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。目前，国内有厂家生产3000V/900A的非对称晶闸管。1.2.3 第二代全控型器件电力电子器件随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。1.2.3.1 门极可关断晶闸管(GTO)8 W! i# M; X0 o# e) O. O- k/ H1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000以上)。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低(12kHz)。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流； GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势3； 今后，它也必将在高压领域占有一席之地。9 D) 1.2.3.2 大功率晶体管(GTR)& C# J% | GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。1.2.3.3 功率MOSFET功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显着特点是驱动电路简单、驱动功率小； 仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置6。功率MOSFET是低压范围内最好的功率开关器件，但在高压应用时，其导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来了很大困难。此外，随着VDSM的迅速发展，IC内部的电源电压越来越低，所需处理的电流越来越大，对功率半导体器件的要求也越来越苛刻。为满足系统不断更新的性能指标，功率MOSFET的工艺水平已进入亚微米甚至向深亚微米发展，利用Spacer技术研制的小单元尺寸第五代功率MOSFET和槽栅功率MOSFET已工业化生产，IR公司生产的第八代HEXFET元胞密度到达每平方英寸1.12亿个。美国AATI采用0.35m工艺生产的TrenchDMOS其元胞密度更高到达每平方英寸2.87亿个。在2003年的国际功率半导体年会上，东芝公司发布了一款33V耐压的深槽新结构功率MOSFET，其比导通电阻只有10mmm2。此外，采用自对准工艺减少掩膜版次数、采用非均匀漂移区降低导通电阻等新结构、新工艺正不断涌现。一种基于电子科技大学陈星弼院士发明专利，打破传统功率MOSFET理论极限，被国际上盛誉为功率MOSFET领域里程碑的新型功率MOSFET-CoolMOS于1998年问世并很快走向市场。CoolMOS由于采用新的耐压层结构，在几乎保持功率MOSFET所有优点的同时，又有着极低的导通损耗。这里需特别指出的是，陈院士的CB及异型岛结构，是一种耐压层上的结构创新，不仅可用于垂直功率MOSFET，还可用于功率IC的关键器件LDMOS以及SBD、SIT等功率半导体器件中，可称为功率半导体器件发展史上的里程碑式结构，该发明由此也名列2002年信息产业部三项信息技术重大发明之首位。最近，笔者在国家“863”项目的支持下，利用三维超结结构，在国际上首次获得了与低压器件兼容的导通电阻较传统器件降低5倍的高压LDMOS3。1.2.3.4 绝缘门极双极型晶体管(IGBT)IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通； 反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多3。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。1.2.2.5 功率三极管(power BJT)双极型功率晶体管虽然存在二次击穿、过流能力低等缺点，学术界也一直有双极型功率晶体管将被功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管所取代的观点，但由于其成熟的加工工艺、极高的成品率和低廉的成本，使双极型功率晶体管仍然在功率开关器件里占有一席之地，且近年来国际上正采用一些先进的超大规模集成电路工艺(如RIE)和EDA工具改善其电特性。笔者最近提出的一种新结构就可在保持双极型功率晶体管其他电特性不变的情况下，通过优化设计，提高其电流增益三倍以上3。由于双极型功率器件必须提供较大的控制电流，而使门极控制电路非常庞大，功率变换系统的体积和重量增大，效率降低。随着新型功率MOS器件的发展，MOS型功率器件及以其为基础的新型压控型功率器件在电力电子装置中得到广泛应用。压控器件可用一些专用的高压集成电路进行控制，甚至可以把功率器件和控制、自保护电路等做在一个芯片上，大大促进了智能功率集成电路的发展，促进了电力电子系统向智能化、小型化和高性能方向发展。1.2.4 新型功率器件由于各个功率器件在应用上都有一定的局限性，所以在应用时人们对于新器件的追求一起在增加，功率MOSFET可以在高频中应用，但是其电流能力不行。IGBT有较大的电流能力，但是对于其应用的频在中频段。而SCR可以在高压大电流下工作，但是它的工作频率一般只有几百Hz，其应用范围具体可见图1-47。图1-4各种功率器件应用范围对于几种主要的功率器件的特性的比较如表1-1所示。器件功率MOSFETIGBT功率BJT驱动类型电压电压电流驱动功率极小极小大驱动复杂度简单简单难，需要大的正负电流给定压降下的电流密度低电压下大高电压下小很高中开关损耗很低低中中高表1-1 主要的功率器件比较所以为了适应人们对于功率器件的需求，各种新的结构层出不穷，下面列举几种典型的功率器件产品。1.2.3.1 MCT: MOS控制晶闸管MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一种新型MOS与双极复合型器件。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。MCT既具有晶闸管良好的关断和导通特性，又具备MOS场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的不足。所以MCT被认为是很有发展前途的新型功率器件。MCT器件的最大可关断电流已达到300A，最高阻断电压为3KV，可关断电流密度为325A/cm2，且已试制出由12个MCT并联组成的模块。在应用方面，美国西屋公司采用MCT开发的10kW高频串并联谐振DC-DC变流器，功率密度已达到6.1W/cm3。美国正计划采用MCT组成功率变流设备，建设高达500KV的高压直流输电HVDC设备。国内的东南大学采用SDB键合特殊工艺在实验室制成了100mA/100V MCT样品；西安电力电子技术研究所利用国外进口厚外延硅片也试制出了9A/300V MCT 样品。1.2.3.2 IGCT：集成门极换流晶闸管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景6。采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于串联。但是，在大功率MCT技术尚未成熟以前，IGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。在国外，瑞典的ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量IGCT产品。在国内，由于价格等因素，目前只有包括清华大学在内的少数几家科研机构在自己开发的电力电子装置中应用了IGCT。1.2.3.3 IEGT：电子注入增强栅晶体管IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力6。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。日本东芝开发的IECT利用了“电子注入增强效应”，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率，如图3所示。器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5KV/1500A的水平。1.2.3.4 IPEM：集成电力电子模块 IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上，如图4所示。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。1.2.3.5 PEBB：电力电子积木 PEBB(Power Electric Building Block)是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB如图5所示。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统，这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中PEBB的数量可以从一个到任何多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能。PEBB最重要的特点就是其通用性。1.2.3.5 基于新型材料的电力电子器件SiC(碳化硅)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更加优异的高温(300500)、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车等设备的节能具有重要意义。Silicon(硅)基器件在今后的发展空间已经相对窄小，目前研究的方向是SiC等下一代半导体材料。采用SiC的新器件将在今后510年内出现，并将对半导体材料产生革命性的影响。用这种材料制成的功率器件，性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点: 高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高热导率。上述这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的 SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10ns级。SiC可以用来制造射频和微波功率器件、高频整流器、MESFET、MOSFET和JFET等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和射频装置；美国通用电气公司正在开发SiC功率器件和高温器件；西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频MESFET；ABB公司正在研制用于工业和电力系统的高压、大功率SiC整流器和其他SiC低频功率器件。理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。SiC器件的研发将成为未来的一个主要趋势。但在SiC材料和功率器件的机理、理论和制造工艺等方面，还有大量问题有待解决，SiC要真正引领电力电子技术领域的又一次革命，估计至少还要十几年的时间6。1.3 功率半导体在经济中的突出作用功率半导体器件的主要应用领域是开关电源、电机驱动与调速、UPS等等。因为这些装置都需输出一定的功率给予用电器，所以电路中必须使用功率半导体。功率半导体的另一重要应用领域是发电、变电与输电，这就是原本意义上的电力电子。任何电器设备都需要电源(尽管有些设备电源是内置在机箱中)，任何用电机的设备都需要电机驱动(小至计算机风扇和家电，大至矿山机械、电气机车、轧钢机等等)。据英国BIS战略决策统计，1992年美国军用和航空航天领域使用的单片SPIC市场价值2,350万美元，占美国整个SPIC市场的9%左右。美军为实施陆军数字化，正实施包括士兵头盔显示器在内的耗资5.87亿美元的SPIC平板显示计划。在世界范围内，1992年军用和航空航天领域使用的SPIC市场价值4,200万美元，1996年上升到7,600万美元。在SPIC的另一典型应用舰船领域，美国海军正加速开展综合电力驱动系统(IDE)的研究。IDE动力装置有便于灵活布置、不受船体限制、噪声小、不易被探测等优点。新型功率器件和SPIC是IDE的基础。预计今后几年SPIC在军事领域的市场增长率将达到16%。SPIC在军事上广泛应用的同时，在汽车电子、计算机、工业自动控制、消费电子等民用领域中也得到成功地应用，对解决能源匮乏、原材料资源紧张具有积极的作用。SPIC的市场十分看好，从1992年以来年平均增长率达到20.3%。值得注意的是，汽车工业对SPIC的需求量正迅速增长，过去几年的年平均增长率达到32.5%8。随着市场的推进，我们的功率电子方面也有突飞猛进的发展。目前，无论是电源管理IC还是功率分立器件，都是市场发展较快的电子器件，其增长率一直高于半导体整体市场的增长率，整体来看，近几年来中国功率器件市场的增长率都保持在20%以上，2002到2006年的复合增长率达到29.4%，具体化趋势见图1-2所示8。市场的高速发展主要是因为使用功率器件的下游产品产量的大幅增长以及功率器件技术的快速更新。 从应用领域来看，中国功率半导体市场主要分布在消费电子、网络通信、计算机、工业控制等领域。2006年中国功率半导体市场的销售额应用结构中，消费类占24.0%的份额，其次为工控领域，占23.4%的份额，计算机领域占21.8%，图 1-3 2006年中国功率器件市场按应用领域分销售额(亿元)网络通信类占20.5%，这四大领域占据了中国功率器件市场近90%的市场份额。此外，汽车电子和其它应用占10.3%的市场份额8。应该说网络通信领域是2006年中国电源管理芯片市场发展最快的领域，2006年中国网络通信类产品普遍具有较高的增长率，GSM手机、WLAN AP、路由器、移动程控交换机、DSL终端和VOIP设备等产品产量都具有超过40%的增长率，通信类整机产品产量的高速增长直接带动了该领域功率器件市场的发展，网络通信领域占整体功率器件市场的比重较2005年有所上升。55第二章 IGBT 的基本理论及参数第二章 IGBT的基本理论及参数绝缘栅双极晶体管简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，是MOSFET和双极型晶体管的电路集成，它综合了场控器件快速性优点和双极型器件低通态压降的优点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。自二十世纪八十年代初期研制成功以来，其工艺技术和参数不断改进和提高，IGBT已经由第三代，第四代发展到第五代，由穿通型(PT型)发展到非穿通型(NPT)，其电性能参数日趋完善，在电机控制，中频和开关电源等领域备受青睐。图 2-1 IGBT的等效电路图和电气图形符号从内部结构上，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，其简化等效电路如图2-1a所示，N沟道的IGBT电气符号图如图2-1b所示。它是以PNP晶体管为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极所加电压大于门槛电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，由于电导调制效应，使PNP基区内的扩展电阻很小，这样高耐压的IGBT也有很小的通态压降。在栅极施加负压或不加信号时，MOSFET内沟道消失，晶体管基极电流被切断，IGBT即为关断9。2.1 横向功率器件LIGBT的产生 对于功率器件来说，由于纵向的功率器件一般是三端器件，对于器件的表面和底层都在电极引出，所以对于SPIC的发展非常的不利。对于高压器件与低压器件的隔离带来非常大的不便。由此便产生出了横向的功率器件，它将底层的电极引到表面去，所以横向功率器件的电极均位于芯片的表面易于通过内部连接实现与低压信号电路及其它器件的相互集成并且驱动电路简单正是由于这些优点的存在横向功率器件得到了很快的发展目前国际上横向功率器件主要有横向双扩散MOS管LDMOS,横向绝缘栅双极型晶体管LIGBT，横向栅控晶闸管LMCT及横向双极型晶体管LBJT。相比纵向的功率器件，横向器件的电流能力较小，耐压也低于纵向的功率器件。2.1.1 表面Signal RESURF技术对于横向器件来说，除了考虑纵向器件的耐压之外，还必须考虑器件的横向耐压，在纵向器件中，对于泊松方程我们只考虑在纵向方向就可以了，而对于横向器件来说，纵向方向也存在电场，所以对于泊松方程必须考虑两个方向进行二维分析。方程展开也要复杂得多，为了不考虑器件的横向击穿这里采用了RESURF技术，这时只考虑器件的纵向器件。采用了Signal-RESURF的LIGBT的形状如图2-2所示： 图2-2 Signal RESURF LIGBT器件结构如图 2-1 所示，RESURF 结构由一个横向 P+/N 二极管(Pbody/Nwell)和一个纵向 P-/N 二极管(Psub/Nwell)构成。此横向二极管决定了器件导通电阻的特性，此纵向二极管则提供了维持高耐压的空间电荷耗尽区。RESURF 结构的基本原理由三个参数来决定：衬底杂质浓度(Psub)，N型漂移区(假设为均匀掺杂)杂质平均浓度(Nwell)和 N 型漂移区结深(XjNwell)。对于体硅结隔离器件而一言，当漏极电压升高时，由