IGBT仿真设计（毕业论文）

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本科毕业论文（设计）

题目：IGBT的仿真设计

学 院： 理 学 院 专 业： 电子科学与技术 班 级： 2007级1班 学 号： 070712110075 学生姓名： 孙 阔 指导教师：傅 兴 华

2011年 6月 1日

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贵州大学本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

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目录

摘要.............................................................................................................................. III 第一章 绪论.................................................................................................................. 1

1.1功率半导体器件的发展 [1] ........................................................................... 1 1.2 IGBT的诞生和发展 ....................................................................................... 2 1.3 IGBT的应用 ................................................................................................... 2 第二章 IGBT的结构、工作特性和主要参数 ........................................................... 3

2.1 IGBT的结构 ................................................................................................... 3 2.2工作原理.......................................................................................................... 4 2.3 IGBT的特性 ................................................................................................ 5

2.3.1 IGBT的静态特性 ............................................................................. 5 2.3.2 IGBT动态特性 ................................................................................. 7 2.4 IGBT的设计理论 ........................................................................................ 8

2.4.1 IGBT的结构设计理论 ........................................................................ 8 2.4.2 IGBT的闩锁效应 ............................................................................. 9 2.4.3 器件设计的主要性能影响因素........................................................ 9

第三章 IGBT的设计 ................................................................................................. 12

3.1外延层的计算................................................................................................ 12

3.1.1 IGBT的击穿机理 .............................................................................. 12 3.2 栅氧化层的计算......................................................................................... 14 3.3 P阱的设计 ................................................................................................. 14 3.4阴极N阱（NSD）的设计 ........................................................................... 15 3.5饱和电流的计算[6] ....................................................................................... 15 第四章IGBT的工艺仿真 .......................................................................................... 16

4.1工艺参数........................................................................................................ 16 4.2 使用Athena软件设计工艺流程 ................................................................. 16

4.2.1 定义网格............................................................................................ 16 4.2.2 外延缓冲层...................................................................................... 17 4.2.3 外延N-外延层 ................................................................................ 18

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4.2.4 在外延层上生长一层栅氧化层和多晶硅........................................ 19 5.2.5 离子注入P-base、N+发射极 ......................................................... 20 4.2.6 淀积AL、刻蚀掉不需要的部分 ..................................................... 22 4.2.7定义电极............................................................................................. 23

第五章 器件的特性分析............................................................................................ 26

5.1 分析器件的参数对阈值电压的影响........................................................... 26 5.2 IGBT输出特性曲线的仿真 ...................................................................... 31 5.3 IGBT极的击穿特性的仿真 .................................................................... 33 第六章 IGBT 版图的设计 ........................................................................................ 36

6.1 版图参数的计算......................................................................................... 36 6.2版图的设计流程............................................................................................ 37 总 结............................................................................................................................ 40 参考文献...................................................................................................................... 41 致谢.............................................................................................................................. 42 附录.............................................................................................................................. 43

附录1：使用Athena软件设计IGBT ............................................................... 43 附录2：使用ATLAS设计IGBT,并且测试出栅压为10V的器件的输出特性曲线。.................................................................................................................. 44 附录3：使用ATLAS测试IGBT的击穿电压 ................................................. 46 附录4：使用ATLAS测试IGBT的阈值电压 ................................................. 47 附录5：使用ATHENA软件仿真P阱的注入N+发射区的注入 .................. 48

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摘要

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。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软件进行工艺仿真出器件的结构，然后用atlas软件进行器件仿真，验证设计，最终实现电流为100A 电压为1000V的IGBT。论文还用TANNER软件画出IGBT的原胞版图。

关键词：绝缘栅双极型晶体管 功率半导体器件 电力电子

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Abstract

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is a kind of power-electronics devices with high input-resistance, low on-state voltage drop and high current-capacity. The development and the operation characteristics of IGBT, and the basic structure of the device were introduced in this paper. A unit cell of power IGBT was defined in Athena in Silvaco platform. Then the electric properties of the device were simulated in Atlas. The maximum current of the designed device is 100 A, and the breakdown voltage is 1000 V. Finally, a layout of the unit cell of the IGBT was proposed.

Keywords：IGBT Power semiconductor devices Power Electronics

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第一章 绪论

1.1功率半导体器件的发展 [1]

随着电力电子技术的发展，人们的生活是越来越方便了，电力电子技术推动了人们的生活和生产。而在电力电子技术里面，功率半导体器件起着核心的作用，它对电力电子电路里面控制了能量的转换。而微电子技术的但来，更为功率半导体器件如虎添翼了，再者人们生产生活的需要，电力电子技术的发展要求功率半导体器件向着大功率、高温、高压等方向发展。

1957年，美国通用电气（GE）公司研制了第一只工业用普通晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。直到今天，功率半导体已经发生了很大的变化。功率半导体器件大致可以分为四个阶段：

第一阶段，以整流管、晶闸管为代表，在低频、大功率场合占优势，后来完全取代汞弧整流器。

第二阶段，以可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管（GTR）等全控型器件为代表，虽然仍为电流控制模式，但在高频化的路上迈了一步。

第三阶段，以功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电压全控器件为代表，它们可以直接用集成电路驱动，高频特性较好，此阶段器件制造技术进入了和微电子技术相结合的阶段。

第四阶段，以智能化功率集成电路（SSPIC）、高压功率集成电路（HVIC）等功率集成电路为代表，使电力电子技术与微电子技术更紧密的结合在一起，出现了将全控型电力电子器件与驱动电路、保护电路、逻辑电路、等集成在一起的高智能化的功率集成电路电路。它实现了器件与电路、强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机电一体化的基础单元。这一阶段还处在不断发展中。

从以上的四个阶段，我们可以看出，第一个阶段和第二个阶段的器件的原理没有发生变化，都是电流控制型的器件，电流控制型的器件有个特点：器件消耗的功率很大，而提供给外电路的功率相对较小；但是第二个阶段比第一个阶段有了一定的发展，它的适用的频率特高了。到达第三个阶段的时候，器件的工作原理改变了，使用的是电压控制型的器件MOSFET,MOSFET的输入极是很高个绝

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7byx.html