绝缘栅双极型晶体管（IGBT）设计与仿真_微电子学.doc

摘要:半导体功率器件是电力电子领域的重要元器件，以IGBT和VDMOS为典型代表的MOS半导体功率器件是如今电力电子器件领域的主流，而IGBT又是其中最具革命性的器件.

　　　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是具有高的输入阻抗、较低的通态压降，能够处理较大的电流的功率半导体器件.它的输入级为一种利用MOS栅控的场效应晶体管，具有MOSFET的高输入阻抗和电压控制的特性.输出级为双极型功率晶体管BJT，具有输出阻抗低和电流密度大的特点，而且它的开关速度又远远高于BJT.

　　　本文首先介绍了IGBT的发展、IGBT的结构、工作特性和主要参数等.并且对IGBT的主要参数进行了分析，初步估计出IGBT的参数.先使用Athena软件进行工艺仿真得出器件的结构，然后用Atlas软件进行器件仿真，在设定的电学参数条件下选择了合适的掺杂浓度及厚度，对其阈值电压、击穿电压、开启时间和关断时间进行模拟，结果与设定的相关参数吻合得很好.最终得到了兼容CMOS工艺150 V IGBT的最佳结构和工艺参数.

关键词：IGBT；半导体功率器件；击穿电压；阈值电压

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论-1

1.1 半导体功率器件-1

1.2 本课题的研究意义与研究内容-2

1.3 本课题的指导思想和应解决的问题-2

第2章 IGBT的结构和工作原理-3

2.1 IGBT器件的结构-3

2.2 IGBT器件的工作原理-4

2.2.1 反向阻断-4

2.2.2 正向阻断-4

2.2.3 正向导通-4

2.3 IGBT的特性分析-4

2.3.1 IGBT的静态工作特性-4

2.3.2 IGBT动态工作特性-6

2.4 本章小结-7

第3章 IGBT器件的初步设计-9

3.1 IGBT的设计理论-9

3.1.1 IGBT的结构设计理论-9

3.1.2 IGBT器件设计的主要性能影响因素-9

3.2 IGBT的阈值电压-9

3.3 IGBT的击穿电压-10

3.3.1 p-n结的击穿机理-10

3.3.2 IGBT的击穿机理-11

3.4 IGBT P+衬底的设计-11

3.5 IGBT N+缓冲层的设计-11

3.6 IGBT外延层的设计-12

3.7 IGBT栅氧化层的设计-12

3.8 IGBT P阱的设计-12

3.9 IGBT N阱的设计-12

第4章 IGBT的工艺仿真-13

4.1 150V IGBT的工艺参数-13

4.2 使用Athena软件设计工艺流程-13

4.2.1 定义网格-13

4.2.2仿真初始化-13

4.2.3 外延N+缓冲层-13

4.2.4 外延N-外延层-14

4.2.5 在外延层上生长一层栅氧化层和多晶硅-15

4.2.6 制作P阱和N阱-16

4.2.7 淀积AL、刻蚀掉不需要的部分-17

4.2.8 定义电极-18

第5章 器件的特性分析-19

5.1 分析器件的参数对阈值电压的影响-19

5.2 IGBT输出特性的仿真-20

5.3 IGBT器件的击穿特性的仿真-22

第6章 结论与展望-23

6.1总结-23

6.2不足之处及未来展望-23

参考文献-24

致  谢-25

附录1：使用Athena软件设计IGBT-26

附录2：使用ATHEN设计IGBT,并测试栅压为10V的器件输出特性曲线-27