SiC-IGBT注入增强型新结构的分析与设计

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碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC IGBT)不仅具有SiC材料临界击穿场强大、击穿电压高、工作频率快等优点,而且还具备了IGBT器件易驱动、控制简便、导通压降小、损耗低等优势,从而成为了高压逆变器、柔性交流/直流输电系统等高压(≥10kV)大电流应用的理想器件。对于SiC IGBT而言,降低导通压降,改善导通压降与关断损耗之间的折中关系向来都是该领域的研究方向,所以基于此研究方向,本文开展了新型平面注入增强型SiC IGBT的研究工作,主要内容如下:1.提出了一种具有肖特基接触的平面注入增强型SiC IGBT(SiC IGBT with Schottky contact,SC-IGBT)结构。通过将发射极金属与P型基区的接触部分设置为肖特基接触,使得其形成的空穴势垒提高了SC-IGBT发射极一侧的载流子浓度,增强了电导调制效应,减小了导通压降,进而改善了导通压降与关断损耗之间的折中关系。结果表明:在100A/cm~2的电流密度下,SC-IGBT的导通压降为5.78V,比Con-IGBT的导通压降6.60V降低了12.4%;在同样的导通压降6.44V下,SC-IGBT关断损耗为2.33mJ,与Con-IGBT的关断损耗4.44mJ相比降低了47.5%。进一步的,在SC-IGBT的基础上,提出了一种具有肖特基接触和载流子存储层的双重注入增强型平面SiC IGBT(SiC IGBT with Schottky contact and Carrier store layer,SC-CSL-IGBT)结构。SC-CSL-IGBT中引入的载流子存储层进一步降低了导通压降和改善了导通压降与关断损耗之间的折中关系。结果表明:在100A/cm~2的电流密度下,SC-CSL-IGBT导通压降为4.70V,与SC-IGBT相比降低了18.7%,与Con-IGBT相比降低了28.8%;在同样的导通压降6.44V下,SC-CSL-IGBT的关断损耗为1.32mJ,与SC-IGBT相比降低了43.3%,与Con-IGBT相比降低了70.3%。2.提出了一种具有肖特基接触和P型屏蔽层的平面注入增强型SiC IGBT(SiC IGBT with Schottky contact and P-shield layer,SC-PSL-IGBT)结构。通过在SC-PSL-IGBT的N型载流子存储层中引入P型屏蔽层,从而规避了高浓度的载流子存储层对击穿电压的不利影响以及可以进一步提高载流子存储层的掺杂浓度,减小了导通压降,进而使得导通压降与关断损耗之间的折中关系得以优化改善。结果表明:在100A/cm~2的电流密度下,SC-PSL-IGBT的导通压降为4.34V,与Con-IGBT相比降低了34.3%;在同样的导通压降6.44V下,SC-PSL-IGBT的关断损耗为1.15mJ,与Con-IGBT相比降低了74.1%。
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