关键词：
LIGBT
关断损耗
导通电压
短路能力
自适应调控技术
摘要：
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为自动控制和功率变换的核心部件,具有驱动电路简单、导通电压低及通态电流大等优点。而横向IGBT（Lateral IGBT,LIGBT）因其易集成的特性,常应用于单片集成功率芯片中。得益于漂移区电导调制效应,LIGBT的导通压降(On-state voltage drop,Von)远低于金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）,但在关断过程中存储在漂移区中过剩载流子会产生较大的拖尾电流使得器件关断损耗(Turn-off loss,Eoff)较大;因此,如何使LIGBT具有好的Von-Eoff折中关系是目前研究热点。此外,在实际应用场景下,当器件发生短路时,保护电路的工作需要一定的反应时间以防止器件损坏,因此抗短路时间(tsc)是衡量器件可靠性的关键参数。为此,本文提出了两种高速、低损耗LIGBT器件。
1.提出了一种集成续流二极管控制的自适应栅LIGBT器件（SPD LIGBT）,其特征是:在阳极端引入自适应阳极PMOS结构,且该PMOS结构的栅极由集成续流二极管i FWD控制,PMOS结构的右侧集成有浮空电极FOC。正向导通时,PMOS沟道关闭,消除了电压折回效应（Snapback-effect）,并且维持了阳极端空穴注入效率以实现低的导通压降;关断过程中,PMOS沟道自适应开启,空穴电流通过PMOS与漂移区内电子在浮空电极FOC内复合,同时使得阳极P+与N-buffer几乎等电位短接,进而抑制阳极P+继续向漂移区注入空穴,二者共同加速器件关断以降低关断损耗;正向阻断时,PMOS保持开启状态,不能使阳极P+/N-buffer结开启,因此实现了类MOS击穿;在反向恢复过程中,得益于二极管端P-layer层对漂移区向下辅助耗尽,SPD LIGBT具有短反向恢复时间trr和低反向恢复损耗Qrr。仿真结果表明,相比于SSA和STA LIGBT,SPD LIGBT在相同Von下,Eoff分别降低了79%和68%;在相同Eoff下,新结构的Von分别降低了21%和15%。此外,新结构对比常规LIGBT（***）,击穿电压（Break-down Voltage,BV）提高了9.5%,对比常规二极管和SSA LIGBT,Qrr分别下降了7.3%和48.1%。
另外,在SPD LIGBT的基础上,将阳极PMOS改为由阳极P+/N-buffer/P-well组成的PNP晶体管构成衍生结构,即集成续流二极管控制阳极PNP的LIGBT器件（PD LIGBT）。该结构创新机理为:在正向导通时,PNP晶体管关闭,阳极P+维持对漂移区的空穴注入效率;在关断过程中,PNP晶体管自适应开启,使得阳极P+注入的空穴电流分流到PNP晶体管后从二极管端流出,降低了阳极P+对漂移区的空穴注入效率,加速器件关断。仿真结果表明,相比于STA LIGBT,新结构的关断时间缩短了80.4%,Eoff降低了70%。
2.提出了一种阴极集成双PMOS结构的LIGBT器件（IPD LIGBT）。该结构特征为:在LIGBT阴极侧集成两个PMOS结构,分别为MOS1和MOS2。其中MOS1的栅极由漂移区上方浮空电极FP自适应控制,MOS2的栅极由外接信号源控制。利用双PMOS自适应调控LIGBT阴极P+/N+区电位VP/VN。正向导通时,MOS1自适应开启而MOS2关闭,使得VN被钳位到0V,VP升随阳极电压VAK升高而增大,直至阴极P-well/N+结开启,漂移区电导调制增强,减小导通压降;关断过程中,MOS2提前开启以抽取漂移区内的空穴,同时随着阳极电压VAK的上升MOS1沟道逐渐耗尽,VN升高以抑制阴极电子注入效率,进一步加速器件关断,降低了Eoff;在饱和/短路工作状态下,随着阳极电压上升,MOS1沟道逐渐耗尽,阴极电子注入效率降低,电导调制减弱,实现了低的饱和电流和强的抗短路能力。仿真结果表明,与常规LIGBT相比,在相同阳极P+浓度下,IDP LIGBT的短路时间延长了351%;与MR LIGBT相比,IDP LIGBT在相同Von下,Eoff下降了55%,在相同Eoff下,Von降低了13%。
