毕业论文80V LIGBT优化设计.doc

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。 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。9 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