Simulation of Trench-Gate Field-Stop IGBT Power Device

《沟槽栅场截止型IGBT功率器件模拟》 在电力电子系统中，尤其是在中高压领域，绝缘栅双极晶体管（IGBT）是相对于MOSFET和BJT更受青睐的开关器件。IGBT技术的发展日新月异，其中场截止型IGBT（FS-IGBT）因其在短路故障时间（tsc）、开启电压（Von）、开关速度以及在给定封装尺寸下的高电流承载能力等方面的优异表现，得到了广泛应用[1]。为了进一步提升器件性能，人们在FS-IGBT结构中引入了n型注入掺杂层，位于p阱层和n漂移层之间，这样的器件被称为NI-FS-IGBT[1]。 本项目利用Synopsys公司的TCAD Sentaurus™工具，进行了二维工艺、器件及混合模式的器件/电路模拟研究，以探讨NI-FS-IGBT的特性。Sentaurus是一款由Synopsys公司注册并拥有的商标，它提供了先进的半导体器件模拟功能，能够对复杂的半导体工艺和器件行为进行精确建模。 在工艺模拟阶段，Sentaurus Process被用来创建沟槽栅场截止型IGBT的结构。这个过程涉及多个步骤，包括定义材料、设置掺杂浓度、定义几何形状等，以形成具有n型注入层的器件结构。该n型注入层的掺杂浓度对器件的性能至关重要，因为它可以改善器件的导通电压和关断状态下的能量损失。 在器件模拟阶段，通过Sentaurus Device模拟了设备的关键特性，如集电极-栅极电压（Ic-Vg）曲线、集电极-发射极电压（Ic-Vc）曲线、电容特性和击穿电压。这些模拟结果有助于理解器件的工作原理和性能特征。同时，通过对开关特性的模拟，可以计算出器件在导通和关断状态下的能量消耗，这对于评估器件在实际应用中的效率至关重要。 进一步地，本项目还进行了电热模拟，这涉及到在短路操作条件下器件的失效时间分析。电热模拟考虑了器件工作时的热量产生和散热情况，对于理解和优化器件的热管理有重要意义。通过这些模拟，可以预测器件在极端条件下的稳定性，以及可能的热失效模式。 总结而言，本项目利用Sentaurus软件对沟槽栅场截止型IGBT进行了详尽的仿真研究，包括工艺设计、器件特性和电热特性，旨在通过n型注入掺杂层优化器件性能。这些研究成果对于提高IGBT的性能指标，如降低导通电压、减少关断状态的能量损失，以及增强短路耐受能力等方面提供了理论依据和技术支持，对IGBT的未来设计和应用具有深远影响。