臺灣博碩士論文加值系統

摘要

絕緣閘雙極性載子電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT )是目前常用的高功率半導體元件，有MOSFET的閘極電壓控制電晶體高輸入阻抗特性，同時又有BJT的雙載子流達到大電流低導通壓降的特性，繼而有導通電阻低和內含小驅動電流等優點。IGBT也能在高反向偏壓的情況下工作，堪稱為功率元件之首。但是為了測試電器的性能，卻不一定是因為使用超高功率測試儀(Curve Tracer)，在缺少一個儀器產生高電壓及高電流，作者群試著以安捷倫4156C去量測高功率元件並了解此類元件電性。在本篇論文研究中，需要去了解BJT與MOSFET的元件特性才能知道並檢視IGBT的電性和特性曲線，進而深入探討IGBT元件裡的特性和一些重要參數之間的相互關係。本篇論文的重點在於以不同元件結構(包括不同閘極寬度與源極寬度)搭配不同的製程，來思考VDS所影響的電流變化，並分析出在不同製程下所形成的IGBT其電流變化控制速率差異性來做分析與討論，從中找出最適當的製程條件(田口法)，作為往後製程參考的指標。
另外，吾人也量測了FinFET，用修改過的傳統電流-電壓(ID-VD)公式適當地貼合此特性曲線。其中包括了偏離係數的定義與應用，可有效地貼合電性曲線，有助於模型的較精確的建構。

Abstract

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is a popular power discrete device. The gate voltage of the MOSFET controls the high input impedance of the transistor, and it also uses the BJT's double-loaded sub-stream to achieve high current and low on-voltage control performances. By the way, IGBTs can also work with high reverse bias and is thus considered the prime power discrete. However, in order to understand the electrical performances of IGBT, some alternative measuring tool is used to do the job because high power curve tracer is not always available. In this study, devices of different device structures (including different gate widths and source widths) with different processes are fabricated and measured. The author analyzes the switching function to conclude the performances of the devices. The comparisons give the clues on the size design for the layout corresponding to the selected process conditions.
On the other hand, 3-D PFinFET devices are put to measurement. The traditional current-voltage characteristic formula is modified and the modified one is used to fit measured I-V curves. At higher VG, the leakage current is ignorable and the fitting curves can reasonably fit the I-V curves. But for VG = 0.0V, it becomes mandatory that the leakage term, which is proportional to the difference of Gate and Drain biases, should be taken into account to appropriately fit the curves.

目錄

摘要……………………………………………………………………………………i
Abstract………………………………………………………………………………ii
誌謝…………………………………………………………………………………iii
目錄…………………………………………………………………………………iv
表目錄………………………………………………………………………………v
圖目錄………………………………………………………………………………vi
第一章 概論…………………………………………………………………………1
1.1 研究動機……………………………………………………………………1
1.2 論文架構……………………………………………………………………2
第二章 半導體元件基本元件與特性………………………………………………3
2.1 常見的半導體晶格結構……………………………………………………3
2.1.1 半導體中的導電載子-電子與電洞……………………………4
2.2 導電帶與價電帶……………………………………………………………6
2.2.1 半導體與絕緣體的能隙比較……………………………………7
2.3 P-N接面二極體基本結構特性……………………………………………9
2.4 空乏區寬度及內建電位…………………………………………………10
2.5 二極體的I-V特性………………………………………………………14
2.6 金氧半場效應電晶體推導公式…………………………………………..17
2.6.1 MOSFET基本結構與特性之觀念…………………………….22
2.7 絕緣閘雙極電晶體基本介紹……………………………………………25
2.7.1 IGBT動作原理…………………………………………………26
2.8 被動元件推導公式………………………………………………………28
2.8.1 電阻……………………………………………………………28
2.8.2 電容……………………………………………………………29
2.8.3 電感……………………………………………………………31
2.9 FinFET基本特性介紹……………………………………………………33
第三章 測試方法及曲線介紹……………………………………………………34
3.1 半導體儀器介紹及測試流程……………………………………………34
3.2 絕緣閘雙極電晶體ID-VD特性曲線分析………………………………38
3.2.1 IGBT閘極結構…………………………………………………39
3.3 FinFET模擬方式…………………………………………………………40
3.3.1 用於穩合IDS-VDS特性曲線的算法……………………………40
第四章 分析與討論………………………………………………………………42
4.1 Swing數值分析…………………………………………………………42
4.2 FinFET貼合數據分析………………………………………………….49
4.3 不同溫度下的Swing值分析……………………………………………53
第五章 結論………………………………………………………………………78
參考文獻……………………………………………………………………………79

[1]T。P。 Chow and B。J。 Baliga， “Comparison of 300， 600， 1200 Volt n-channel insulated gate transistors” IEEE Electron Device Letters， Vol。 EDL-6， pp。 161-163 (1985)。
[2]H。R。 Chang， B。J。 Baliga， “500V n-channel IGBT with trench gate structure” IEEE Trans。 Electron Devices， Vol。 ED-36， pp。 1824-1829 (1989)。
[3] 劉傳璽、陳進來編著，半導體元件物理與製程理論與實務第三版。
[4]N。 Thapar and B。J。 Baliga， “A new IGBT structure with wider safe operating area (SOA)” IEEE Symp。 On Power Semiconductor Devices and ICs， Abstr。 4。3 (1994)。
[5]N。 Iwamuro， A。 Okamoto， S。 Tagami， Nd H。 Motoyama， “Numerical analysis of short circuit safe operating area for p-channel and n-channel IGBTs， “ IEEE Trans。 Electron Devices， Vol。 ED-38， pp。303-309 (1991)。
[6]蕭宏原著，半導體製程技術導論第三版。
[7]王建力，“P型鰭式半導體元件特性分析與射頻電路阻抗匹配” ，明新科技大學電子工程研究所碩士論文，民國 105年。
[8]孫允武，中興物理應用電子學第二章。
[9]邱彥維，“絕緣閘雙極性電晶體的電性與製程相依性及功率IC探討”，明新科技大學電子工程研究所碩士論文，民國 105年。
[10]張駿彥，“接面深度與陽極寬度對開關IGBT元件相關性”，2017光電與通訊工程應用研討會，2017年。


[11]謝森，“功率元件之閘極寬度和源極寬度與轉導電性的分析及有漏電流考量下N型電晶體電性數據貼合之演算發展”， 明新科技大學電子工程研究所碩士論文，民國 106年。
[12]A. Diab, G-A Torres Sevilla, S. Christoloveanu, and M-M Hussain, IEEE Trans. Electron Devices 61, 3978 (2014).
[13]F. Wang, Y. Xie, K. Bernstein, and Y. Luo, Proc. IEEE Computer Society Annual Symposium on Emerging VLSI Technologies and Architecture, 2006, p. 6
[14]X. Huang, W.-C. Lee, C. Kuo, D. Hisamoto, L. Chang, J. Kedzierski, E. Anderson, H. Takeuchi, Y.-K. Choi, K. Asano, V. Subramanian, T.-J. King, J. Bokor, and C. Hu, IEEE Trans. Electron Devices 48, 880 (2001).
[15]T. Rudenko, V. Kilchytska, M.K.M. Arshad, J.-P. Raskin, A. Nazarov, and D. Flandre, IEEE Trans. Electron Devices 58, 4180 (2011).
[16]T. Takahashi, N. Beppu, K. Chen, S. Oda, and K. Uchida, Jpn. J. Appl. Phys. 52, 04CC03 (2013).
[17]M. Saitoh, N. Yasutake, Y. Nakabayashi, K. Uchida, and T. Numata, IEDM., 2009, p.1
[18]余修賢，“絕緣閘雙極性接面電晶體電流源-電壓響應電性與耐壓相關性探討”，2017光電與通訊工程應用研討會，2017年。
[19]林浩雄、陳建中、曹恆偉、郭建宏合議，微電子電路(上)第六版。
[20]福爾克、郝康普，IGBT模塊：技術、驅動和應用(中文版 原書第2版)。