发射极注入增强型IGBT快速关断机理与新结构

This application aims at the core problem in the development of IGBTs and researches on the new physical mechanism and novel device structure of IGBT devices to reduce the power loss. The main innovations of this application are: (1) Study the extraction and recombination process of excess carriers during the turnoff process and clarify the relationship between excess carrier concentration distribution and extension of depletion layer width. Setup the Emitter-injection Accelerated Turn-off (EAT) current model and theoretically obtain the way to achieve the optimized excess carrier distribution in terms of the tradeoff relationship between on-state power loss and switching power loss. (2) Based on the proposed EAT model, invent a new IGBT structure featuring a 30% lower forward voltage drop as well as a 50% lower turnoff power loss. (3) Setup an analytical model of power loss and optimization criterions, expand this model to different carrier injection conditions and make it as a unified analytical model of IGBT power loss. . This application is a fundamental research of device physics and experiment, which is of significant importance for ultra-low loss IGBTs.

本申请针对IGBT器件发展中所面临的核心问题，以降低器件功耗为目标，开展IGBT器件新机理与新结构研究，主要创新研究为：1）深究IGBT关断过程中非平衡载流子的抽取和复合过程，揭示非平衡载流子浓度分布和耗尽层扩展的物理本质与规律，建立发射极注入快速关断（EAT）电流模型，获得最优化非平衡载流子浓度分布的实现途径；2）在EAT模型指导下，提出发射极注入增强型IGBT新结构，获得一种导通压降降低30%，关断功耗降低50%以上的IGBT新结构；3）创建发射极注入增强型IGBT器件功耗解析模型和优化判据，并将该模型拓宽至不同条件下的IGBT器件，使之成为IGBT器件功耗优化的统一解析模型，为低功耗IGBT器件设计与实现研究提供理论基础。. 本申请是一项器件理论与实验相结合的应用基础研究，其成果具有重要科学意义和应用前景，对实现我国IGBT自主创新和跨越式发展具有重要意义。

本项目以实现低功耗绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为目标，深究器件电荷、电场、电流等物理本质，开展IGBT器件新机理与新结构研究，并将理论成果扩展至栅控晶闸管（MCT）上，取得的主要创新研究成果为：（1）提出发射极注入增强关断模型，揭示非平衡载流子浓度分布与耗尽层扩展的物理本质和规律，提出发射极注入增强型IGBT新结构，获得最优化非平衡载流子浓度分布，实现导通压降降低31%、关断功耗降低50%；（2）针对发射极注入增强关断优化载流子浓度存在导通、关断功耗折衷关系的问题，进一步提出动态电场调制增强新模式，揭示从优化动态电场分布以降低器件功耗新途径，并提出动态电场调制增强型IGBT新结构，进一步降低46%的关断时间和57%的关断功耗；（3）针对发射极注入增强引起开启EMI噪声增大的问题，分析器件开启过程的电势自调制机理，并提出IGBT新结构；降低了63%的开启电压变化率，显著抑制了EMI噪声；（4）将发射极注入增强机理扩展至MCT设计上而提出一种适用于固态断路器（SSCB）的MCT新结构，降低了41%的导通功耗，为高效SSCB设计奠定了器件基础；（5）针对具有强电导调制效应的MCT因高di/dt而损坏的问题，研究电压耦合现象，阐明了器件在高di/dt脉冲应用中的阴极-栅极电压耦合效应，并提出具有虚拟栅结构的MCT新结构，降低了77%的脉冲最大栅阴电位差，提升了器件的di/dt耐量。