高等电力电子技术第1章电力电子半导体器件精.docx

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高等电力电子技术第1章电力电子半导体器件精

高等电力电子技术

AdvancedPowerElectronics

基本内容

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6电力电子器件发展概述功率MOSFET绝缘栅双极型晶体管集成门极换向晶闸管的结构与工作原理电力电子器件新材料电力电子集成技术

自从1957年底第一代晶闸管SCR面世以来，电力电子半导体器件发展迅猛。

直到1970年，普通晶闸管开始在工业应用中大量用于电力控制。

1970年后，各种类型的电力电子半导体器件相继出现并逐步商业化。

其中，碳化硅器件正在迅速发展中，而绝大部分实际工业应用的器件都是用硅材料制作的。

这些器件大致可以分为三类：

①功率二极管，②晶闸管，和③晶体管[1]。

随着电力电子器件的应用范围扩大和应用场合要求的提升，对器件的发展要求也越来越提高，包括①更高的功率容量，②更低的开关损耗，③更高的开关频率，④更紧凑的封装体积，⑤集成以及模块化设计。

大多在电力电子器件上应用的新技术都是围绕这几点发展方向来展开的。

常规应用的晶闸管大致有以下几类：

①强迫换流晶闸管，②门关断晶闸管，③反相导通晶闸管（RCT），④静态导通晶闸管（SITH），⑤光触发硅控整流器（LASCR），⑥MOS关断（MTO）晶闸管，⑦集成门极换流晶闸管（IGCT）和对称门极换流晶闸管（SGCT）。

晶闸管的发展方向同样是增加单管的功率容量，同时增加对器件开关的控制度，这一点在IGCT和SGCT以及光触发晶闸管的大量使用中可以很明显的体现。

IGCT和SGCT是将GTO芯片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，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点。

传统GTO器件很难关断，必须在门极加一个约为器件额定电流1/3的驱动电流，并在1内将阴极所有的电流抽出，才能确保其快速关断。

而IGCT关断则是一个很快的瞬态过程，器件完全按晶体管模式关断，从而保证了完全受控的均匀关断，广泛应用于大功率电流型变流器以及变频器上。

电力晶体管有四种类型：

①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④SIT。

其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的身影。

由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极结构和垂直导电技术的广泛应用，IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。

新的半导体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。

功率MOSFET出现在70年代的晚期，它的出现主要来源于70年代中期MOS技术的发展，不同于传统的双极性开关管（BJT），MOSFET属于场效应管器件，是一种单极性电压控制型器件。

在导通状态下，仅有多数载流子工作，所以与电流控制型器件相比，所需的驱动功率非常小，并且多数载流子导电的功率MOSFET显著减少了开关时间，因而很容易达到100KHZ以上的开关频率，功率MOSFET是低压（＜200V）范围内最好的开关器件，但在高压应用方面，其最大的特点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来很大困难。

所以对于MOSFET的技术优化基本都从这一点出发。

沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换装置的功率MOSFET，其在传统的MOS器件基础上做出了三项重大改革：

1.垂直的安装漏极，实现了垂直导电，将在传统MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在硅片顶部的漏极改装在硅片的底面上，这样充分利用了硅片面积，基本上实现了垂直传导漏源电流，消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分，减小了RCH部分,为获得大电流容量提供了前提条件。

2.模仿GTR设置了高电阻率的n-型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并使沟道长度稳定。

3.采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出特性具有良好的线性。

正如上面所说，在功率半导体器件发展的历史上最重要的问题就是寻求如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受电压和导通压降之间的矛盾。

功率MOSFET作为单极型器件，需要在耐受电压和导通电阻之间做一个综合考虑，同时在不降低器件性能的前提下减少器件尺寸。

近年来，一种被称为“超级结”结构的三维结构概念被用于

MOSFET制造应用，并且在改善导通电阻和耐受电压矛盾方面获得了显著的效果。

这种结构来源于电子科技大学陈星弼院士的中美发明专利[5]，其主要思想是通过尽量提高功率器件漂移区浓度，即通过在器件不同维度上引入新的电场来达到对漂移区载流子的有效中和以获得一定的击穿电压。

“超级结”结构的主要特点是用N区与P区相互交替的形式代替了传统上必须承担击穿电压的N-漂移区，而这种区域的交替是在水平方向的电场其作用，所以并不影响垂直方向的电场。

其剖面结构如图b所示，当“超级结结构”的MOSFET处于阻断状态时，由N-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被完全耗尽，电势分布从源端到漏端线性增加，电场分布趋于理想的均匀分布。

这样阻断电压不仅建立起了纵向电场，而且同样建立起了横向电场，即实现更高的阻断电压，而不需要降低漂移区的掺杂浓度，只需要增加N-漂移区的厚度和P区的厚度，满足了击穿电压的要求，因此“超级结”结构的MOSFET通态电阻与阻断电压之间接近线性关系。

当“超级结”结构的MOSFET处于导通状态时，如图d所示，电子从源极出发然后经过N-漂移区到达漏极。

由于N-漂移区具有较高的掺杂浓度，所以导通电阻大大减少。

理想的“超级结”结构特性很好，但工艺上实现还比较困难，必须通过多次外延或刻蚀加离子注入的方法来实现，为了规避这些技术难题，又提出一些新的方案。

例如将“超级结”结构与垂直导电双扩散MOS结构（VDMOS）结合的“半超级结”结构，这实际上是通过MOS系统来代替PN结提供额外电场的类“超级结”结构，即用蚀刻氧化形成一定厚度的边氧并用多晶硅或高浓度的N+或P+提供电极，从而和“超级结”一样能够提供新的电场来进行补偿，这种工艺相对来说简单一些。

这些新的方案原理基本都与“超级结”结构类似，是在性能和工艺难度上的折中选择。

COOLMOS为英飞凌公司注册推出的采用“超级结”结构的新一代MOSFET，已广泛应用于各种中小功率电力电子装置中[8]，COOLMOS相对于传统MOSFET所体现的优势在于：

1.导通电阻的降低英飞凌公司推出的COOLMOS，耐压为600V和800V的器件与传统MOSFET相比，相同的管芯面积条件下，导通电阻分别下降为传统MOSFET的1/5和1/10；相同的额定电流条件下，导通电阻分别下降为传统MOSFET的1/2~1/3.导通电阻的降低是COOLMOS相对于传统MOSFET的最大好处，也是英飞凌公司将其命名为COOLMOS的主要原因。

2.封装的减小相同额定电流的COOLMOS的管芯减小为传统MOSFET的1/3~1/4，所以COOLMOS的封装也可以大大减小。

不过，由于“超级结”结构在电荷均衡的工艺上有一定的难度，所以制造阻断电压1000V以上的COOLMOS具有较大的困难。

此外，COOLMOS的内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导率难以达到传统MOSFET的技术指标，所以COOLMOS一般不适用于中大功率变流器装置。

绝缘栅双极型晶体管（InsolatedGateBipolarTransistor---IGBT）,是上世纪80年代初为解决MOSFET的高导通电压、难以制成兼有高电压和大电流特性和GTR的工作频率低、驱动电路功率大等不足而出现的双机理复合器件。

由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好，且驱动电路简单、驱动电流小等优点，又具有通态压降小、耐压高及承受电流大等优点，因此发展很快。

从结构图可以看出，IGBT

相当于一个由MOSFET驱动

的厚基区GTR,其简化等效

电路如图1-6所示。

图1-6IGBT的简化等效图

1.3.1应用于IGBT的新器件制造技术

1.3.2穿通型IGBT

1.3.3非穿通型IGBT

1.3.4场终止型IGBT

1.3.5其他新型IGBT

早期的IGBT，已经获得了比功率MOSFET低的通态压降和比双极性器件更高的工作频率，但是通态损耗相对双极性器件仍然相对较大，SOA范围较小，成本较高，且具有负温度系数，不利于并联使用

1透明集电极技术

透明集电极技术应用于集电极区（下层），把IGBT的集电极的空穴注入效率降低到0.5以下，使通过集电极的的总电流中电子流起主要作用，一般达到70%以上。

在

IGBT关断时，n-区存储的过剩电子能透过集电区迅速流出，实现快速关断。

2电场终止技术

电场终止技术（fieldstop）FS技术应用于n-层（中层），其核心是在n-层与p型集电区之间加入一个比n-区宽度小而掺杂浓度高的n+缓冲层，使得电场强度在该层中迅速减少到零，同时提高n-区的电阻率，从而可以较薄的耐压层实现相同的击穿电压。

3上层结构新技术

1.沟槽栅技术：

该技术和MOSFET的沟槽门极技术概念完全一致，都是利用挖槽的概念，在IGBT的栅氧化层和栅电极做在沟槽的侧壁上，形成垂直沟道。

2.近表层载流子浓度增高技术：

一般IGBT中，从p型集电区注入到n-层的空穴向上的电荷运动过程中浓度是逐渐降低的，所以n-层中越接近p型集电区的部分电导调制作用越弱，通态电阻就越大。

所谓近表层载流子浓度增高技术就是利用各种方法尽最大可能来提高这一区域的电子空穴对浓度，来增强电导调制效应，减少通态电阻。

PT型IGBTNPT型IGBT场终止型IGBT

p-发射极

n-基区强发射极薄

高掺杂的n区，用

来减弱发射极，

终止电场

大弱发射极厚弱发射极薄弱掺杂的n区，用于终止电场小附加n区无电流拖尾小

①透明集电区沟槽栅场终止型IGBT（Trench，FS型IGBT）集合了沟槽技术、FS技术和透明集电区技术，具有极低的功率损耗；

②注入增强栅晶体管（InjectionEnhancedGate

Transistor，简称IEGT）采用了加宽pnp管间距的近表面层注入载流子浓度增强技术，集合了表面层注入载流子增强技术与Trench技术、FS技术、透明集电区技术；

③高电导率IGBT（High-ConductivityIGBT，简称HiGT）有很多不同结构。

它在非透明集电区PT-IGBT的基础上，采用空穴阻挡层技术使总功耗显著降低

IGCT是在门极关断晶闸管的基础上改良得到的器件，它把集成门极换向电路和门极换向晶闸管（GCT）组合在一起，实际上是一种关断增益为1的GTO，具有高耐压、低通态压降、缓冲和驱动电路简单的优点，可以稳定的工作在高压大功率的场合，是大功率开关器件的换代产品。

IGCT的关键思想是将改进结构的GTO和极低电感的门极驱动器结合起来，除了门极驱动单元外，IGCT由单个GCT组成。

门极驱动器与GCT之间有一定的距离，以满足不同形式的构件要求.

IGCT主要分为非对称型、反向阻断型和逆导型三种类型。

除了门极驱动单元外，非对称IGCT由单个GCT组成的；反向阻断型IGCT是为电流型优化设计的具有反向阻断能力的IGCT器件，也称为SGCT；逆导型IGCT是由反并联续流二极管和GCT集成的。

当GCT工作在导通状态时，是一个晶闸管一样的正反馈开关，携带电流能力强而且通态压降低，导通机理与GTO完全一致。

当器件需要关断时，门极P沟道MOSFET先导通，部分主电流从阴极向门极换相，然后阴极N沟道