功率vdmosfet终端结构的击穿特性分析与设计

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1、万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第V页4．2．3700VVDMOSFET终端结构仿真结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．48结论与未来的工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49致j射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．64参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65攻读硕士期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯70万方

2、数据西南交通大学硕士研究生学位论文第1页1．1研究背景及意义第一章绪论弟一旱殖叱目前，电力电子技术是最前沿的电能转化技术，因其具有高灵活性和高效性，因此在工程领域得到了广泛的应用和发展【6】。而功率半导体分立器件和电力电子行业有着紧密的联系。一般说来功率半导体器件(Powersemiconductordevice)指的是能够经受起大电压或大电流的功率半导体分立器件【6】。近些年由于功率半导体器件的品质和要求不停的发展和完善，它们的使用范围得到了很大的扩展。功率MOSFET可以应用于低频或中高频大功率领域，如高压直流输电、马达传动、

3、不停电电源、感应加热等。也可用在频率很高功率不大的领域，如开关电源、DC．DC变换、快速开关变换、高保真音频放大、高速磁芯驱动、继电器或螺线管驱动、CMOS、TTL和LSI接13、马达控制、汽车电子、射频等领域⋯。因为功率MOSFET本身具有输入阻抗高，驱动功率小，工作频率高，开关速度快，开关损耗小等优点，所以在工程领域发展迅速【8J。功率半导体分立器件按功率大小可以分为：功率大的半导体器件和功率中小的半导体器件【9J。一般说来，功率较大的半导体器件是指能够流通的最大电流在25安培以上的分立器件，如大功率IGBT、MOSFET等。

4、当前随着我国经济高速发展，国内出现了大规模的改造电网，铁路基础设备建设，高铁相继投入运行，同时我国在军工和基础设施领域也进行了巨大的资金投入，这些都给我国电力电子行业发展带来了很好的机会，2012年我国的功率半导体分立器件行业收入值为120．4亿元，2013年功率半导体分立器件行业的收入值增加到145．2亿元【91，产业增长率和去年持平，如图1．1所示。从上图中可以看出，我国在半导体器件行业的发展速度正在逐步加快，不久我国将变成世界功率半导体分立器件发展的核心推动力之一。国家统计局数据表明，2010年我国功率器件行业共有498家企

5、业，从企业数目、销售额以及资产规模来看，大部分企业分布在江苏、浙江、广东等省份。因为高品质的功率半导体器件制造难度较大，工艺要求较高【1Ⅲ，国内目前的生产线与发达国家的先进生产线之间还存在着较大的距离，因此我国的许多中端和高端功率半导体器件还存在着依赖进口的局面。随着我国电子电力行业的蓬勃进步，大功率半导体分立器件的进口缺口会逐渐变大，因此，研制高品质的功率半导体器件具有迫切的理论和实际意义。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第2页2008-笠-2009年2010生--2011年2012年2013年图卜1中国功率半导体器件市场

6、规模：亿元1．2功率MOSFET的国内外研究现状由于功率半导体器件具有很多优点，所以早在上世纪60年代就有人开始研究功率MOSFET器件。早期的MOS管是在低浓度的衬底上扩散出高浓度的源区和漏区【11】，如图1．2所示。MO豳鬻翻_豳一—豳圈_缝黼叫·L，拶P一外延P+衬底‘＼Oxide图卜2早期MOSFET管不恿图但是这种结构的MOSFET管当源漏极的电压差变大时，耗尽层会朝着浓度较低的衬底扩展，当耗尽层到达源极时MOS管就会击穿。因此想要提高该结构的耐压就必须选取高阻材料，并且要增大沟道的长度“12】。但由半导体功率管知识知道

7、，MOSFET管漏极电流ID可以表示为：ID=去以c÷(U—u)2(1-1)万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第3页当沟道长度L变大时，漏电流就会变小，所以这种结构的MOS管不能做到承受较高的电压和电流。为了解决图1．2中结构带来的问题，1971年有人提出了横向双扩散MOS(LDMOS)结构【131，如图1．3所示。＼Oxide图1—3横向双扩散MOSFET(LDMOSFET)结构不意图该结构与早期的MOS管相比，总体做了如下变化：首先在沟道区和漏极中间的区域内增加了一个掺杂浓度较低的N．漂移团14J，当漏极电压增加时，耗尽层

8、的区域范围会朝着浓度较低的漂移区扩展，因此我们只需要选择合适的漂移区量值以及沟道材料的电阻率，就可以使该结构的MOS管承受高压。其次，沟道长度主要是因为两次扩散的结深来决定【14】，所以沟道长度L就能做的非常小且不会被光刻所限制【14j。虽然LDM