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        IGBT轉移特性的計算與仿真研究

        2019-12-19 09:03:28
        中國設備工程 2019年22期
        關鍵詞:閾值電壓柵極器件

        (西安電力電子技術研究所,陜西 西安 710077)

        近年來,IGBT被廣泛使用,提高功率容量是其發(fā)展趨勢。在高壓IGBT中,提高通流與抗閂鎖能力成為設計的主要目標之一,通過優(yōu)化表面MOS結構實現(xiàn)。器件的轉移特性強烈依賴于表面MOS結構,通過閾值電壓來表征。

        1 IGBT轉移特性的理論分析

        1.1 GBT 的轉移特性

        IGBT的柵極與發(fā)射極處于正向偏置,集電極電流隨柵極與發(fā)射極電壓變化而變化的關系稱為IGBT的轉移特性。當柵射極之間的電壓小于閾值電壓時IGBT阻斷。因受限于最大集電極電流,實際應用中,IGBT的最高柵射電壓通常取為15V左右。

        1.2 閾值電壓的理論分析

        閾值電壓的數(shù)學表達式如式(1)所示:

        2 IGBT轉移特性的計算機仿真

        2.1 ISE 仿真過程

        本文關于轉移特性的計算機仿真過程如下:(1)利用Dios工藝仿真模塊生成器件的表面MOS結構。(2)將由Dios生成的表面MOS結構導入到Mdraw模塊中,并對需要優(yōu)化的區(qū)域進行優(yōu)化。(3)利用Dessis電氣特性仿真模塊仿真器件的轉移特性。(4)在Ispect圖形查看模塊中查看轉移特性曲線。

        2.2 IGBT表面MOS結構的生成

        利用DIOS模塊進行工藝仿真,生成器件的二維結構圖。鑒于器件結構的對稱性,為了提高工作效率兼顧仿真結果準確性,仿真生成了一半的器件表面MOS結構,如圖1所示。

        圖1 器件表面MOS結構

        2.3 表面MOS結構的優(yōu)化

        利用Mdaw模塊對器件結構進行網(wǎng)格優(yōu)化,提高仿真結果的準確性的同時盡量縮短仿真的時間。器件表面結構的網(wǎng)格優(yōu)化如圖2。

        圖2 器件表面結構的網(wǎng)格優(yōu)化

        2.4 轉移特性仿真

        利用Dessis模塊進行器件的電氣特性仿真。

        (1)閾值電壓與P阱摻雜濃度的關系。對四種P阱摻雜濃度進行研究,如圖3所示。隨摻雜濃度增大,轉移特性曲線整體右移,器件閾值電壓增大。這是由于雜質補償效應使得形成溝道愈發(fā)困難,即閾值電壓變大,仿真結果表明,這一關系呈現(xiàn)非線性。

        圖3 不同P阱雜質濃度下的轉移特性曲線

        (2)閾值電壓與柵極氧化層厚度的關系。針對四種柵極氧化層厚度進行研究,如圖4所示。隨著柵極氧化層厚度的增加特性曲線整體右移,閾值電壓增大。表明柵極對器件溝道的控制能力被逐漸消弱,器件表面形成溝道需要更大的柵極電壓。

        3 結語

        對IGBT的轉移特性進行計算和仿真研究。結果表明,影響轉移特性的因素首先是P阱的摻雜濃度和雜質的分布情況,其次,是柵極氧化層的厚度。此外,大量的仿真實驗數(shù)據(jù)表明,溝道越長雜質分布越趨于平坦,閾值電壓越容易控制。為獲得穩(wěn)定的閾值電壓,生產(chǎn)中需優(yōu)化P阱的摻雜及退火工藝。

        圖4 不同柵氧厚度下轉移特性曲線

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