收藏本站
《电子科技大学》 2014年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

新型功率半导体器件的研究及其终端耐压层的利用

吕信江  
【摘要】:电力电子技术的发展为电能的高效利用发挥了关键性的作用。电力电子技术的核心是功率半导体器件。正所谓“一代电力电子器件,一代电力电子技术”,电力电子技术的发展归根结底是源于功率半导体器件的突破与创新。功率半导体器件从上个世纪50年代的晶闸管开始发展到现在,在近60年的时间里,逐渐形成了各种类型的器件蓬勃发展的格局。功率半导体器件在电力电子技术中多数情况下是作为一种开关来应用。理想的开关应该具有极高的阻断电压、极强的导电能力、极高的开关速度还有极易驱动的特点,而现有的功率半导体器件特性与理想开关之间仍有很大的差距。以硅材料的纵向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(VDMOS)为例,它最突出的问题是比导通电阻随着击穿电压的提高而显著增加,即可怕的“硅极限”,严重限制了器件在高电压领域的应用。20世纪90年代出现的超结(Super Junction,简称SJ)器件打破了这种限制,使得相同耐压下比导通电阻相比普通VDMOS小了一个数量级。而在近几年,出现了另一种新型功率半导体器件——在耐压区利用高介电系数(简称高K或Hk)介质的MOSFET(Hk-MOSFET)。高K介质的引入使得耐压区宏观上等效的介电系数大大提高,使得Hk-MOSFET和超结MOSFET有着可比拟的比导通电阻。本论文的主要创新点以及所作的工作在于,在已有的几种新型功率半导体器件的基础上,提出了进一步降低器件单位面积导通电阻(也称比导通电阻)的方法,并进行了仿真验证。模拟结果显示,本文所提出的器件比导通电阻相比现有的器件可再降低20%~70%。Hk-MOSFET耐压区内半导体与高K介质排布的方式有多种多样,显然具有最密堆积的六角形元胞具有最小的比导通电阻。本文讨论了六角形元胞图形的Hk-MOSFET的比导通电阻与耐压的理论关系,并对理论结果和器件特性进行了仿真验证。理论分析表明六角形图形比叉指条形的的元胞的比导通电阻平均减小了约20%,文中还给出了器件参数最优化的方案,对将来六角形元胞的Hk-MOSFET的设计提供了理论依据。模拟的900 V器件显示,Hk-MOSFET的比导通电阻仅比同耐压的SJ-MOSFET大了约5%,而前者对电荷非平衡效应具有较强的鲁棒性。然而,制造Hk-MOSFET的最大难题在于寻找合适的高K材料,而且,相关的工艺也有待开发。本文还提出了一种在纵向超结器件的漂移区引入积累层载流子的方法及其终端耐压层的利用。先前已经有多篇文献报道在纵向功率MOSFET的漂移区形成积累层载流子参与导电可显著降低器件的比导通电阻。然而这些器件都是通过给深入到漂移区内的栅电极施加偏压来感应积累层电荷的,因此这些器件都有较大的栅电荷值。栅电荷的增加不仅导致驱动栅极所需的功耗增加,同时也降低了器件的开关速度。本文提出的器件特色在于,耐压层采用了超结原理,并利用了一种集成在元胞内的低压电源技术作为提供及存储栅电荷的办法。由于产生积累层载流子不是源自栅电极而是来自内部的低压电源,因此器件有效的栅电荷被大大地降低。一个600 V器件的模拟结果显示,它的比导通电阻约为普通超结MOSFET的46%,而有效栅电荷值几乎与普通超结MOSFET相同。上述引入积累层载流子的超结器件具有纵向的耐压层,其所用到的技术同样可以应用于横向结构。因此,本文还研究了一种在漂移区形成积累层载流子以获得极低比导通电阻的横向MOSFET结构,并对它进行了仿真验证。模拟结果显示,对于600 V的横向器件,本文提出的器件的比导通电阻仅为普通Double-RESURF LDMOS的30%,而两者几乎拥有相同的栅电荷值。由于横向器件的制作工艺相比纵向更为简单,因此更容易在将来首先被实验验证。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN303

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 朱成章;;关于我国电力与一次能源的比例关系[J];电力技术经济;2003年05期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前5条
1 朱成章;;我国电源结构的另类解读[J];电力技术经济;2008年01期
2 陈武;李云峰;;我国能源可持续发展的探讨[J];能源技术经济;2010年05期
3 吴建军;常娟;;美国页岩气产业发展的成功经验分析[J];能源技术经济;2011年07期
4 徐敏杰;单葆国;韩新阳;;我国能源强度、电力强度变化及因素分析[J];能源技术经济;2011年07期
5 曹梓轲;何良挽;廖凌;;从环境空气容量的角度分析区域新建火电机组的潜力[J];能源技术经济;2011年11期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 牛胜利;有机钙盐协同脱除SO_2和NO的实验研究与机理分析[D];山东大学;2011年
2 高岩;选择性催化还原脱硝催化剂的实验与机理研究[D];山东大学;2013年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 B.J.巴利加;韩郑生;陆江;宋李梅;孙宝刚;;功率半导体器件基础[J];电力电子;2013年03期
2 符志钦,EricI.Carroll(瑞士);用于大功率领域的功率半导体器件[J];国外内燃机车;2000年02期
3 张为佐;;功率半导体器件鸟瞰[J];电源技术应用;2001年12期
4 本刊评论员;;“功率半导体器件”专集导读[J];电力电子;2003年Z1期
5 羽冬;;侧向功率半导体器件[J];半导体信息;2005年01期
6 龙乐;;面向汽车应用的功率半导体器件与封装[J];电子与封装;2009年12期
7 孙伟锋;张波;肖胜安;苏巍;成建兵;;功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望[J];中国科学:信息科学;2012年12期
8 刘冲;徐迎春;于利红;曹玉峰;李奇;;功率半导体器件直流参数测试系统的研发[J];今日电子;2013年11期
9 Philip L.Hower ,李志晨;功率半导体器件综述[J];微电子学;1989年04期
10 张为佐;功率半导体器件的新发展[J];电子产品世界;1998年Z1期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 张为佐;;功率半导体器件的新发展[A];中国电工技术学会电力电子学会五届三次理事会议暨学术报告会论文集[C];2001年
2 段宝兴;张波;李肇基;;功率半导体器件发展概述[A];2006中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文摘要集[C];2006年
3 张波;;功率半导体器件技术[A];中国真空学会2012学术年会论文摘要集[C];2012年
4 张发生;何多昌;;用ANSYS软件包模拟功率半导体器件用散热器稳态热阻[A];中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集[C];2002年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 朱宇通讯员 李湘虹;甬企收购“金鹏”功率半导体器件业务[N];宁波日报;2007年
2 饶祖刚;性能差异化 功率器件制造面临多重挑战[N];中国电子报;2008年
3 记者 杨君;国家发改委重点支持我市项目顺利通过验收[N];东营日报;2011年
4 本报记者 陆娅楠;国内最大规模IGBT产业基地开建[N];人民日报;2011年
5 张浩明 孔超;功率半导体器件迎来发展契机[N];国际商报;2012年
6 记者 周雪松;中国大功率半导体产业基地投产[N];中国经济时报;2009年
7 文泰;华微电子 定增募资6.69亿投两项目[N];证券时报;2011年
8 记者 何旭 通讯员 张勇;中国北车率先实现6500伏以上IGBT产品封装[N];人民铁道;2012年
9 记者 覃秘;华微电子拟定增募资6.7亿扩产[N];上海证券报;2011年
10 本报记者 马越;华微电子 六英寸线投产试运行[N];中国证券报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 吕信江;新型功率半导体器件的研究及其终端耐压层的利用[D];电子科技大学;2014年
2 程骏骥;智能功率集成电路中功率半导体器件的研究[D];电子科技大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 陈校芸;功率半导体器件失效模型多物理场仿真分析[D];华北电力大学;2015年
2 程士东;高压大电流碳化硅MOSFET串并联模块[D];浙江大学;2014年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026