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摘 要

全集成单片智能功率芯片将传统IGBT智能功率模块（IPM）中的驱动控制芯片、分立IGBT芯片、分立续流二极管芯片及保护电路等所有元件集成到同一块芯片中，具有更小的体积、更丰富的控制、保护功能及更低功耗等方面的优势。绝缘体上硅（SOI）横向绝缘栅极双极型晶体管（LIGBT）作为高压功率开关器件，是全集成单片智能功率芯片中的核心器件。

短路可靠性是SOI-LIGBT器件重要的可靠性参数之一，决定器件的使用寿命及应用范围。在短路的初始阶段，器件电流会呈现出较大的过冲，严重时导致烧坏；为了抑制这种现象往往会采用增加栅极电阻的方式，但是又会降低器件的开关速度。

本文详细分析了SOI-LIGBT器件的基本结构、工作原理，从器件结构角度分析其短路过冲的原因，归纳总结了近年来国内外提出的结构优化抑制过冲电流的方法。在上述研究基础上提出沟槽栅的U形沟道SOI-LIGBT器件的三种栅极连接方式，通过对比分析，得出既能抑制短路过冲电流，又能保证开态导通压降较低的最佳方案。最后，借助Sentaurus TCAD软件，编写仿真程序代码并从软件中获得仿真数据，并对仿真数据进行分析和对比，验证该结构的可行性。

关键词：短路过冲电流，短路特性，导通压降，横向绝缘栅极双极晶体管

Abstract

The fully integrated single-chip intelligent power chip integrates all the components in the traditional IGBT intelligent power module, such as the drive control chip, discrete IGBT chip, discrete freewheeling diode chip and protection circuit into the a chip, which has smaller volume and richer control/protection functions and lower power consumption. It is gradually replacing traditional IPM in the field of small or medium power household appliances such as air conditioners, washing machines and refrigerators. As a high-voltage power switching device, silicon-on-insulator (SOI) laterally insulated gate bipolar transistor (LIGBT) is the crucial device in a fully integrated single-chip intelligent power chip.

Short-circuit reliability is one of the most important reliability parameters of SOI-LIGBT devices,which has an influence on the device lifetime and application.. In the initial stage of the shorted circuit, the current of device will exhibit a large overshoot, even leads to device failure sometimes. In order to suppress this phenomenon, we usually increase the gate resistance, which causes the slow down of switching speed of the device in turn.

In this paper, the operation mechanism and switching process of SOI-LIGBT devices are analyzed in detail. The causes of short-circuit overshoot are analyzed from the perspective of device structure. The technologies about the device structural optimization that proposed in recent years are summarized. Based on the research above, three kinds of gate connection modes of trench gate U-shaped channel SOI-LIGBT are proposed. By comparison and analysis, the optimal solution that both improves short-circuit overshoot and keeps low on-state conduction voltage drop is proposed. Finally, with the Sentaurus TCAD software platform, the simulation test is accomplished and the simulation data is obtained. Relevant simulation data is analyzed and compared to verify the feasibility of the proposed new structure.

Key words: Short-circuit overshoot, Short circuit characteristics, On-state conduction voltage drop, SOI-LIGBT

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与研究价值 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1多发射极沟道的IGBT器件 1

1.2.2优化200V n型LIGBT器件结构 2

1.2.3双栅极深氧化物沟槽SOI-LIGBT器件结构 2

1.2.4高压单片IC中U型沟道SOI-LIGBT器件的优化结构 3

1.2.5 TGU与PGU结构的SOI-LIGBT器件 3

1.3研究内容与设计指标 4

1.4论文组织 4

第二章 SOI-LIGBT器件的工作原理及短路过冲 6

2.1器件的基础结构及工作原理 6

2.2 SOI-LIGBT器件的各项性能分析 7

2.2.1 I-V特性 7

2.2.2闩锁效应 8

2.2.3开关特性 9

2.3 IGBT模块失效分析 10

2.3.1擎住失效 10

2.3.2热失效 11

2.4传统双沟槽栅U型沟道SOI-LIGBT器件短路初始阶段电流过冲原因分析 12

第三章 双栅输入信号异步控制的双沟槽栅U型沟道SOI-LIGBT器件新型结构 13

3.1栅电阻隔离双栅实现双栅信号异步控制的新型器件结构及工作原理概述 13

3.2传统栅极连接方案与改进栅极连接方案的电路结构及功能比较分析 13

3.2.1传统栅极连接方式与G2接地的新型结构工作原理及性能对比分析 14

3.2.2双栅电阻的新型结构与前两种结构工作原理及性能对比分析 14

3.3传统栅极连接方案与改进栅极连接方案的各项性能仿真结果分析 15

3.3.1 G1、G2短接与G2接地两种栅极连接方式的各项性能仿真对比分析 15

3.3.2双栅电阻的新型结构与前两种结构的各项性能仿真对比分析 18

第四章 总结与展望 22

4.1总结 22

4.2展望 22

致 谢 24

参考文献 25

第一章 绪论

1.1研究背景与研究价值

在当今的全集成单片智能功率芯片中，一块芯片上集成了传统IGBT智能功率模块（IPM）的所有元件，如保护电路、驱动控制芯片、分立IGBT芯片、分立续流二极管芯片等等。因此，各个元器件之间的连接无需使用到传统引线，同时，经过精细计算、设计得出合理的器件结构、参数、布局。这样设计的模块不仅体积得到缩减，使用起来更加方便，而且由于传统引线的减少，可使各项寄生参数降至最低，有效提高系统的可靠性。由于具有更小体积、更丰富的控制/保护功能及更低功耗等多方面的优势，全集成单片智能功率芯片在空调、洗衣机及冰箱等中小功率家用电器领域正逐步取代传统IPM。而绝缘体上硅（SOI）横向绝缘栅极双极晶体管（LIGBT）作为高压功率开关器件，是全集成单片智能功率芯片中的核心器件，其性能直接决定了整块芯片的可靠性和功耗。

短路可靠性是SOI-LIGBT器件的重要可靠性参数之一，要提高短路可靠性，就对LIGBT的内部结构及封装技术提出了更高的要求。通常降低SOI-LIGBT的导通压降会导致器件的饱和电流增大，器件更易短路失效。在短路的初始阶段，器件电流会呈现出较大的过冲，产生局部热点，严重时导致烧坏。为了抑制这种现象，往往会采用增加栅极电阻的方法，但这样不仅使损耗增加，还会降低器件的开关速度。本文从器件结构角度分析探究短路过冲的原因，并进行结构优化，抑制过冲电流，从而改善SOI-LIGBT器件的性能，扩大其实际应用范围。

1.2国内外研究现状

SOI-LIGBT器件的设计中，需要考虑导通压降V_ON、关断损耗E_OFF以及安全工作区SOA三者之间的折中关系。在这三者之间折中关系改进的基础上，追求更高的功率密度、更高的允许工作结温、更高的器件可靠性已经成为SOI-LIGBT器件的发展趋势。

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