【摘 要】
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）同时拥有单极型器件开关速度快和双极型器件导通压降低的优点,广泛应用于白色家电、电网系统、轨道机车、电动汽车等需要电能变换的领域。逆导型IGBT（Reverse Conducting IGBT,RC-IGBT）由于使芯片拥有了反向续流导通能力而成为了IGBT器件中极具应用前景的一个分支。然而常规RC-I
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）同时拥有单极型器件开关速度快和双极型器件导通压降低的优点,广泛应用于白色家电、电网系统、轨道机车、电动汽车等需要电能变换的领域。逆导型IGBT（Reverse Conducting IGBT,RC-IGBT）由于使芯片拥有了反向续流导通能力而成为了IGBT器件中极具应用前景的一个分支。然而常规RC-IGBT不仅存在着正向导通电压折回、反向导通电流不均匀的问题,而且在动态工作时存在着关断损耗大、反向恢复时间长、反向恢复损耗大等问题。较大的动态损耗降低了电能利用效率,限制了RC-IGBT的广泛使用,因此本文主要针对常规RC-IGBT动态损耗大的问题展开了研究:1提出了一种具有集电极沟槽栅的RC-IGBT（RC-IGBT with Collector Trench Gate,CTG-RC-IGBT）结构。CTG-RC-IGBT通过在SH型RC-IGBT中引入自驱动的集电极沟槽栅而大幅降低了器件的反向恢复损耗。仿真结果表明,新结构的反向恢复时间较SH-RC-IGBT和常规RC-IGBT分别下降了10.8%和37.1%,反向恢复损耗较分别下降了25.4%和63.1%。当CTG-RC-IGBT处于反向恢复过程时,集电极沟槽栅和集电极直接接触处于高电位,MOS沟道就会自动发生反型而形成低阻电子通道,于是集电极对漂移区中电子的抽取作用得到加强,加速了漂移区内载流子的消失,使反向恢复速度加快、反向恢复损耗降低。在正向阻断期间,集电极沟槽栅产生了对电子的吸引作用而提高了场阻止层中的电子浓度,使击穿电压相对SH-RC-IGBT提高了8.3%,并且阻断状态下CTG-RC-IGBT具有更小的漏电流,所以阻断损耗更小。2提出了一种具有双FS（Field Stop）层的RC-IGBT（RC-IGBT with Double FS Layer,DF-RC-IGBT）结构。DF-RC-IGBT基于PT型RC-IGBT,通过在漂移区中引入了第二个FS层而使关断损耗显著降低。仿真结果表明,DF-RC-IGBT的关断损耗较PT-RC-IGBT和常规RC-IGBT分别下降了18.1%和63.3%。第二FS层的主要作用表现在当器件关断时,高掺杂浓度的第二FS层可以阻止耗尽区空间电场向集电极进一步扩展,避免了N+集电区被电场屏蔽,所以在整个关断过程N+集电区都保持了对漂移区电子的抽取作用,从而加速了载流子消失,提高了关断速度并减小了关断损耗。基于相似的工作机理,DF-RC-IGBT的反向恢复损耗也有一定下降,同时第二FS层降低了反向导通电阻,因此在作为续流二极管工作时DF-RC-IGBT具有更小的综合损耗。在阻断特性方面,第二FS层改变了空间电场的畸形分布状态,使击穿电压有所提高。此外,DF-RC-IGBT的元胞长度仅为10um,极大改善了反向导通时电流分布不均匀程度,提高了器件的可靠性。
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