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IGBT仿真设计毕业论文精品管理资料
本科毕业论文(设计)
题目:
IGBT的仿真设计
学院:
理学院
专业:
电子科学与技术
班级:
2007级1班
学号:
070712110075
学生姓名:
孙阔
指导教师:
傅兴华
2011年6月1日
贵州大学本科毕业论文(设计)
诚信责任书
本人郑重声明:
本人所呈交的毕业论文(设计),是在导师的指导下独立进行研究所完成。
毕业论文(设计)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处.
特此声明。
论文(设计)作者签名:
日期:
摘要
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是具有高的输入阻抗、较低的通态压降,能够处理较大的电流的功率半导体器件。
本文首先介绍了IGBT的发展、IGBT的结构、工作特性和主要参数等.并且对IGBT的参数进行了分析,初步估计出IGBT的参数。
先使用Athena软件进行工艺仿真出器件的结构,然后用atlas软件进行器件仿真,验证设计,最终实现电流为100A电压为1000V的IGBT。
论文还用TANNER软件画出IGBT的原胞版图.
关键词:
绝缘栅双极型晶体管功率半导体器件电力电子
Abstract
InsulatedGateBipolarTransistor(IGBT)isakindofpower—electronicsdeviceswithhighinput-resistance,lowon—statevoltagedropandhighcurrent—capacity。
ThedevelopmentandtheoperationcharacteristicsofIGBT,andthebasicstructureofthedevicewereintroducedinthispaper.AunitcellofpowerIGBTwasdefinedinAthenainSilvacoplatform。
ThentheelectricpropertiesofthedeviceweresimulatedinAtlas。
Themaximumcurrentofthedesigneddeviceis100A,andthebreakdownvoltageis1000V。
Finally,alayoutoftheunitcelloftheIGBTwasproposed。
Keywords:
IGBTPowersemiconductordevicesPowerElectronics
第一章绪论
1。
1功率半导体器件的发展[1]
随着电力电子技术的发展,人们的生活是越来越方便了,电力电子技术推动了人们的生活和生产。
而在电力电子技术里面,功率半导体器件起着核心的作用,它对电力电子电路里面控制了能量的转换。
而微电子技术的但来,更为功率半导体器件如虎添翼了,再者人们生产生活的需要,电力电子技术的发展要求功率半导体器件向着大功率、高温、高压等方向发展。
1957年,美国通用电气(GE)公司研制了第一只工业用普通晶闸管,标志着电力电子技术的诞生.直到今天,功率半导体已经发生了很大的变化。
功率半导体器件大致可以分为四个阶段:
第一阶段,以整流管、晶闸管为代表,在低频、大功率场合占优势,后来完全取代汞弧整流器。
第二阶段,以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)等全控型器件为代表,虽然仍为电流控制模式,但在高频化的路上迈了一步.
第三阶段,以功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等电压全控器件为代表,它们可以直接用集成电路驱动,高频特性较好,此阶段器件制造技术进入了和微电子技术相结合的阶段.
第四阶段,以智能化功率集成电路(SSPIC)、高压功率集成电路(HVIC)等功率集成电路为代表,使电力电子技术与微电子技术更紧密的结合在一起,出现了将全控型电力电子器件与驱动电路、保护电路、逻辑电路、等集成在一起的高智能化的功率集成电路电路。
它实现了器件与电路、强电与弱电、功率流与信息流的集成,成为机电一体化的基础单元。
这一阶段还处在不断发展中.
从以上的四个阶段,我们可以看出,第一个阶段和第二个阶段的器件的原理没有发生变化,都是电流控制型的器件,电流控制型的器件有个特点:
器件消耗的功率很大,而提供给外电路的功率相对较小;但是第二个阶段比第一个阶段有了一定的发展,它的适用的频率特高了。
到达第三个阶段的时候,器件的工作原理改变了,使用的是电压控制型的器件MOSFET,MOSFET的输入极是很高个绝缘栅,输入的电流很小,这样消耗在功率半导体上的能量降低了,提高了能量的使用率,更加节能。
再进行改进就有了IGBT的出现。
到了今天从器件发展到了集成电流,更加智能化了.
1。
2IGBT的诞生和发展
绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)是由设计者巧妙的将VDMOS的N+型衬底换成了P+型衬底而得到的.当IGBT运行的时候,在N—基区发生了电导调制效应,降低了通态的电阻和提高了通态的电流密度。
进过了三十多年的发展,IGBT与发明的时候相比较,是一个不断改进和不断解决问题的过程,到现在,IGBT的发展大概进过了几个过程:
刚开始使用的是穿通型的IGBT,有饱和压降高和开关时间长的缺点;之后版图从版图方面改进,比如正方形的版图和正六边形的版图;之后是从寄生器件的抑制来解决问题;之后呢是从工艺方面来改进。
1。
3IGBT的应用
IGBT的应用领域非常广,在电机调速、逆变器、中频电源、汽车电子、激光电源等控制电路中。
在当今的工业化的发展中,国家倡导节能、环保等理念,IGBT在节能的方面同样起到了很大的作用,IGBT的使用让节能设备向具有高效率、低功耗和高性能方面的发展。
第二章IGBT的结构、工作特性和主要参数
2。
1IGBT的结构
图2-lPT-IGBT的剖面图
结构:
IGBT是P四层结构,n沟道的IGBT比DMOSFET多了一层层,形成PN结;衬底和缓冲区和P阱形成PNP双极型晶体管.P衬底引出电极叫漏极(也叫阳极A);栅极和源极和DMOSFET的相似;N区称为漂移区;背面的区为缓冲区;器件的控制控制区称为栅区,在其上制作电极G,称为栅极,沟道是紧靠在栅区的边界形成的;在漏源之间的P型区称为P阱.
导通时,衬底向N外延层注入大量的空穴,形成基区电导调制[注释1],从而降低了器件的导通电阻,输入级为等效为MOSFET所以有很大的输入阻抗。
IGBT的结构有两种一种是加了缓冲层的穿通结构[注释2],一种是没有加缓冲层的非穿通结构。
2.2工作原理
IGBT的等效原理图可以看出,IGBT等效为一个MOSFET驱动一个GTR。
为较厚基区的等效电阻。
图2-2IGBT等效电路[2]
图2—3IGBT的通用电路符号[2]
(1)当IGBT的阴极加正的电压,阳极加负电压时.这时结反偏,只有很小的反向的漏电流,IGBT处于反向阻断状态.对于NPT-IGBT,的耗尽层主要向基区扩展,所以NPT—IGBT有很好的正反向阻断能力;对于PT—IGBT,因为缓冲层阻止了的耗尽区向N的扩展,让方向击穿电压比NPT—IGBT小得多,反向阻断能力较小。
(2)当IGBT阳极加正的电压,阴极加负的电压时,处于反偏.
①当〈时,MOSFET的表面的沟道没有形成,IGBT处于关态;有漏电流通过,IGBT有正向阻断能力。
②当〉时,MOSFET表面形成了沟道,源极电子经过沟道注入到了N基区;正偏,同时空穴从衬底注入到N基区,一部分与源极注入的电子复合掉了,另一部分通过极流入P阱。
当的正向电压逐渐增大时,基区的空穴浓度可增加到超过N基区的背景掺杂浓度,从而对N基区产生显著的电导调制,N基区的导通电阻大大降低,电流密度显著地提高。
对于一定的,当大于一定的数值时,沟道中的电子漂移速度达到饱和,阳极电流就出现了饱和.这时当的增加,MOSFET的表面沟道反型增加,阳极电流增加,出现了对产生控制的现象。
(3)IGBT正向工作时的电流:
IGBT正向工作时在饱和区的时候的电流由两部分组成,一部分是P+衬底向基区注入的少子空穴与在N—外延层与来自MOS沟道的电子复合形成复合电流;另一部分是P+衬底向N—注入的空穴通过在N-区通过扩散到达J2结的边界,由于J2结是处于反偏的状态,当空穴扩散到J2结的边界,立即被电场扫入了扩散区,形成了PNP集电极电流。
这两个电流复合电流占了主导的地位,所以IGBT是复合器件。
2。
3IGBT的特性
2.3。
1IGBT的静态特性
静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
(1)伏安特性:
IGBT的伏安特性是指以栅源电压为参变量时,阳极电流与阳极电压之间的关系曲线。
输出阳极电流受栅源电压的控制,越高,越大。
它与GTR的输出特性相似.也可分为饱和区、放大区、和击穿特性3部分。
在截止状态下的IGBT,正向电压由结承担,反向电压由结承担。
如果无缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT的某些应用范围。
图2—4正反向偏置特性
(2)转移特性:
IGBT的转移特性是指输出漏极电流与栅源电压之间的关系曲线.它与MOSFET的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压时,IGBT处于关断状态.在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内,与呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。
图2—5转移特性曲线
2.3。
2IGBT动态特性
动态特性是指IGBT在开关期间表现出来的特性。
在平时的应用中IGBT常作为开关的应用,所以了解IGBT的开关过程是很有必要的。
图2—6IGBT的开关过程的波形示意图
1)开通过程
IGBT的开通过程与MOSFET的开通过程是很相似的,因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET来运行.
关键名词:
开通延迟时间:
td(on)为上升至最大值的——上升至的时间差。
电流上升时间:
10%的时刻——90%的时刻的时间差。
开通时间()=开通延迟时间+电流上升时间.
的下降过程分为两段:
第一段是只有MOSFET工作,第二段不仅有MOSFET工作,同时有PNP晶体管的工作.
2)关断过程
关断延迟时间td(off):
是从下降达最大值的90%时刻算起,一直到电流下降到最大值的90%时刻所用的时间。
电流下降时间:
从的最大值的90%下降到电流最大值的10%所用的时间.
关断时间=关断延迟时间|+电流下降时间;
在下降过程中分为了两段,第一段是IGBT单独的下降时间,所以下降得比较快,第二段时间包括了PNP管的关断过程,所以下降得要慢点。
2。
4IGBT的设计理论
2。
4.1IGBT的结构设计理论
IGBT设计有三个重要的层:
衬底,缓冲区,和外延层。
选用型的衬底,再在上面用外延生长出缓冲区和外延层。
衬底厚度的选取与器件栅极和衬底的等效电容大小有关,影响到器件的开关速度.缓冲区是生长在衬底上的,选取一定的浓度和厚度来降低外延层结尾处的电场强度,以提高器件的开关速度。
型外延层影响器件击穿电压,但是又同时与器件的导通电阻和开关速度有关,所以要综合考虑.
IGBT器件表面通常采用MOS工艺制成.通过对以及P阱区的两次扩散或注入.自对准形成沟道,项端的层作为MOS部分的源极,漂移区为MOS器件的漏极.
2.4.2IGBT的闩锁效应
IGBT是由P四层材料构成的,当满足条件(α+α>1)满足时,IGBT就像普通晶间管那样导通,在
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