CN219085981U - 绝缘栅双极型晶体管、电力电子设备和动力车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种绝缘栅双极型晶体管、电力电子设备和动力车，绝缘栅双极型晶体管包括：主体区域、漂移区域及N型FS区；主体区域的上方设置有发射极以及栅极；所述N型FS区下方设置p型集电区，P型集电区的下方设置集电极；所述N型FS区与所述p型集电区之间设置有混合扩散层，所述混合扩散层设置有P+区域与N+区域，在短路关断瞬态期间，混合扩散层设置的P+区域将空穴载流子注入空间电荷区；所述空穴载流子补偿空间电荷中的有效净电荷密度以消除峰值电场；混合扩散层设置的n+区域去除注入的空穴载流子。本实用新型可以避免导致电流灯丝的动态雪崩，注入的载流子可以通过额外的n+区域快速去除，从而缩短关断时间。

Description

绝缘栅双极型晶体管、电力电子设备和动力车

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，并且特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管、电力电子设备和动力车。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是家用电器、工业、可再生能源、UPS、铁路、电机驱动和EV和HEV应用等电力电子应用中使用最广泛的功率器件，由于双极结型晶体管的存在，它具有非常高的电流处理能力在其结构中，大约为数百安培，阻断电压为6500V。这些IGBT可以控制数百千瓦的负载，适用于许多应用。IGBT特别适用于占空比、低频、高压和负载变化，使其能够用于机车列车、电动汽车和混合动力电动汽车。IGBT在电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)中的应用包括它们在动力传动系统和充电器中的应用，用于向电机输送和控制电力。预计EV/HEV的IGBT市场在预测期内将增长两倍，占整个市场的50％以上。

然而，IGBT有一个固有的缺点，例如随着阻断电压的增加，Vce(sat)会迅速增加，因此开发了IEGT概念来降低通态电压降。沟槽栅极功率器件降低了沟道电阻并消除了JFET效应，并能够降低通态电压降。此外，IEGT(注入增强型IGBT)概念通过使用沟槽栅单元之间的浮动p区增加了n漂移区上侧的存储载流子，因此对于相对较高电压的IGBT显着降低了Vce(sat)。

这些应用于混合动力汽车和电动汽车的功率器件被迫频繁面对恶劣的环境，从器件故障和保护的角度出发，分析故障机理并根据故障机理创新针对故障和破坏的主要措施非常有用。最重要的破坏现象之一是逆变器应用中短路条件下的破坏。一般来说，可以说破坏性最严重的条件是在大功率开关下。IGBT结构必须能够在覆盖这些轨迹的整个区域内运行而不会发生破坏性故障。在IGBT结构同时承受大电流和大电压的过程中，会发生一种称为雪崩诱发的二次击穿的现象，从而导致破坏性故障。在开启瞬态和关闭瞬态期间都可以触发这种现象。在开启瞬态期间，据说会限制正向偏置安全工作区(FBSOA)。在关断瞬态期间，据说限制了反向偏置安全工作区(RBSOA)。包括FBSOA和RBSOA在内的非常严重的应力发生在短路条件下，可以认为短路操作的破坏机制可以分为四种模式。

模式A是导通后几微秒内发生的破坏，是由于寄生双极晶体管在集电极电流很大时导通造成的。模式B是由过度的功耗引起的热破坏。模式C是在关闭期间观察到的破坏，在Ic达到零电流水平之前不久，dic/dt正在增加并且出现更高的峰值电压。如果Rg关断电阻减小到非常小的值且寄生电感很大，则会发生动态雪崩，这是由于电流丝状化而造成的破坏性事件，并且会发生SSCM(开关自钳位模式)，可以将峰值电压钳位到击穿电压。模式D是在关闭后大约几百微秒观察到的破坏，这种模式可以描述为由较大的泄漏电流引起的热失控。

为了克服大电流和尖峰电压下关断瞬态过程中的动态雪崩击穿，传统技术通常需要较大的栅极电阻来抑制动态雪崩的产生，但这种情况下的关断损耗增加主要是由于dv/dt降低和关断时间延长的变化。在关断期间，空穴载流子流过空间电荷区并改变n漂移区的有效载流子浓度。如前所述，电场分布由泊松方程确定。峰值电场将从发射极侧的p基-n结移动到集电极侧的FSn-n漂移结。高峰值电场可能会迫使器件进入动态雪崩模式，并且产生的载流子会改变空间电荷区域中的Neff，从而导致雪崩击穿并降低峰值电压。

如果由动态雪崩引起的额外产生的电子和空穴在数量上是平衡的，并且将一直持续到所有剩余的多余载流子被消除，随后动态雪崩突然被消除。否则，该过程可能会失控，由雪崩产生的载流子会导致设备损坏。更多的空穴载流子将平衡n漂移区中的有效载流子，空穴注入方法将通过应用高内部pnp增益β来实现。因此，该方法可以改善故障模式。然而，这种方法会在高温条件下增加关断损耗和更高的漏电流。

因此，提供一种有效抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管IGBT成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提供一种具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管IGBT、电力电子设备和动力车。

具体而言，本实用新型提供一种具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT包括：主体区域、漂移区域及N型FS区；主体区域的上方设置有发射极以及栅极；所述N型FS区下方设置p型集电区，P型集电区的下方设置集电极；所述N型FS区与所述p型集电区之间设置有混合扩散层，所述混合扩散层设置有P+区域与N+区域；在短路关断瞬态期间，混合扩散层设置的P+区域将空穴载流子注入空间电荷区；所述空穴载流子补偿空间电荷中的有效净电荷密度以消除峰值电场；混合扩散层设置的n+区域去除注入的空穴载流子。

进一步地，所述混合扩散层中的P+区域与N+区域交替排列分布。

进一步地，所述混合扩散层中的P+区域与N+区域的数量相同。

进一步地，所述绝缘栅双极型晶体管为注入增强型IGBT。

本实用新型还提供一种电力电子设备，包括上述绝缘栅双极型晶体管。

进一步地，所述电力电子设备包括变流器。

本实用新型还提供一种动力车，包括上述的绝缘栅双极型晶体管。

进一步地，所述动力车包括机车列车、电动汽车或混合动力电动汽车。

本实用新型的具有抑制动态雪崩功能的IGBT，为了避免在短路条件下在n-drift/n-FS层结处出现峰值电场导致雪崩击穿，通过优化集电极和FS n-buffer区域来实现过冲尖峰电压的自钳位，即提高p-集电极的空穴注入效率的方法需要通过向集电极施加移出的电子载流子来缩短关断时间，可以避免导致电流灯丝的动态雪崩。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且与描述一起用于解释本实用新型的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的不同局部区域，IGBT芯片中电场和电流分布不均匀的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；

图3为图2中沿A-A′的横截面视图；

图4为图2中沿B-B′的横截面视图；

图5为本实用新型实施例提供的具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管中N型FS区、混合扩散层与p型集电区的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本申请发明人通过实验测试以及理论分析发现，由不均匀电场和电流引起的芯片中的几个故障点，其中，较高的电场集中在沟槽栅底部和芯片的四个角处。较高的电流密度集中在栅极焊盘和栅极流道周围，较高的晶格温度在发射极焊盘区域下方。具体如图1所示，NO.1圆圈表示边缘端接和有源单元区域之间的点，NO.2表示发射器焊盘区域周围的点，NO.3表示沿栅极流道的点，NO.4表示栅极周围的点焊盘区域。

本实用新型各实施例为了避免在n-FS和n-漂移区出现峰值电场，同时在p-collector和n-FS层之间交替排列n+和p+的混合扩散层。P+区在关断过程中起到高空穴注入的作用，以减少FS-n和n-漂移区之间的高电场，避免动态雪崩。并且雪崩现象产生的过多载流子可以通过增加的n+区域被突然去除，从而减少长的开关关断时间。

参见图2-图5所示，作为本实用新型的一种具有抑制动态雪崩功能的IGBT的实施例，所述的具有抑制动态雪崩功能的IGBT包括：主体区域、漂移区域及N型FS区；主体区域的上方设置有发射极以及栅极；所述N型FS区下方设置p型集电区，P型集电区的下方设置集电极；所述N型FS区与所述p型集电区之间设置有混合扩散层，所述混合扩散层设置有P+区域与N+区域；在短路关断瞬态期间，混合扩散层设置的P+区域将空穴载流子注入空间电荷区；所述空穴载流子补偿空间电荷中的有效净电荷密度以消除峰值电场；混合扩散层设置的n+区域去除注入的空穴载流子。

优选地，所述混合扩散层中的P+区域与N+区域交替排列分布。具体如图5的结构所示。

进一步优选地，所述混合扩散层中的P+区域与N+区域的数量相同。再具体设置时，N+区域的长度可以短于P+区域的长度。

优选地，所述绝缘栅双极型晶体管为注入增强型IGBT。

本实施例为了避免在短路条件下在n-drift(漂移)/n-FS层结处出现峰值电场导致雪崩击穿，开发了先进的n-FS/p-collector(集电极)层，附加层与Hybrid n+和p+交替排列在n-FS和p-collector之间。这种结构能够在短路关断瞬态期间将空穴载流子从额外的p+区注入空间电荷区，从而补偿空间电荷中的有效净电荷密度以消除峰值电场。最终，可以避免导致电流灯丝的动态雪崩。注入的载流子可以通过额外的n+区域快速去除，从而缩短关断时间。

本申请还提供一种电力电子设备，包括上述的绝缘栅双极型晶体管。具体地，所述电力电子设备可以包括变流器。

本申请还提供一种动力车，包括上述的绝缘栅双极型晶体管。具体地，所述动力车包括机车列车、电动汽车或混合动力电动汽车。

上述电力电子设备以及动力车包括上述的绝缘栅双极型晶体管的技术效果，能够在短路关断瞬态期间将空穴载流子从额外的p+区注入空间电荷区，从而补偿空间电荷中的有效净电荷密度以消除峰值电场。最终，可以避免导致电流灯丝的动态雪崩。注入的载流子可以通过额外的n+区域快速去除，从而缩短关断时间。

已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (8)

1.一种具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管包括：主体区域、漂移区域及N型FS区；

主体区域的上方设置有发射极以及栅极；所述N型FS区下方设置p型集电区，P型集电区的下方设置集电极；

所述N型FS区与所述p型集电区之间设置有混合扩散层，所述混合扩散层设置有P+区域与N+区域；

在短路关断瞬态期间，混合扩散层设置的P+区域将空穴载流子注入空间电荷区；所述空穴载流子补偿空间电荷中的有效净电荷密度以消除峰值电场；混合扩散层设置的n+区域去除注入的空穴载流子。

2.如权利要求1所述的具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述混合扩散层中的P+区域与N+区域交替排列分布。

3.如权利要求2所述的具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述混合扩散层中的P+区域与N+区域的数量相同。

4.如权利要求1-3中任一项所述的具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管为注入增强型绝缘栅双极型晶体管。

5.一种电力电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-4中任一项所述的具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管。

6.如权利要求5所述的电力电子设备，其特征在于，所述电力电子设备包括变流器。

7.一种动力车，其特征在于，包括如权利要求1-4中任一项所述的具有抑制动态雪崩功能的绝缘栅双极型晶体管。

8.如权利要求7所述的动力车，其特征在于，所述动力车包括机车列车、电动汽车或混合动力电动汽车。

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