埋栅SIT电学模型的建立_电子论文

（埋栅SIT电学模型的建立 82页 27742字包括开题报告文献综述任务书外文翻译程序电路图答辩记录等））

摘要：本文研究了埋栅型电力静电感应晶体管（SIT）的电学模型，其等效电路通过SPICE进行模拟，针对SIT所存在的寄生效应，而对SIT的设计进行了优化。
首先，本文介绍了SIT的原理、分类和优势，及其在现代生产生活中的广泛应用。其次，通过对电力埋栅SIT建立等效的电路模型，对其进行进一步的研究。由于SIT是一种新型电力器件，常见的器件模拟软件SPICE中并无成熟的SIT模型，本文通过对埋栅SIT进行等效电路模型的建立和分析，成功实现了SPICE对SIT的电学模拟。
通过对SIT实现电学模拟，进一步了解了工作原理，以及其中存在的寄生效应，埋栅型SIT由于二次外延层的存在，往往同时伴随着寄生效应，静电感应器件的寄生效应会导致器件性能的劣化甚至失效。通过SPICE模拟，计算寄生电阻的阻值，进一步研究了寄生效应的实质。并且，通过对SIT的电学模拟，本文确定了器件的改进设计参数和工艺，研究了寄生效应的消除方法。
根据以上的研究，本文提出了一种新型结构的静电感应器件——深槽环绕结构，此结构设计了一道环绕的深槽，用以切断寄生效应。实验表明，数值模拟结果和实验结果一致，这种深槽结构能够有效截断寄生路径，消除寄生电流的影响，优化器件性能。
论文最后，详细描述了这种结构的设计和制造工艺。在制作工艺中，采用分步刻槽法有效避免了传统工艺的弊端。通过三块槽版，实现了槽台的同时刻蚀。依据不同的深度，我们选择槽由深至浅，先刻蚀隔断槽，然后在刻蚀台面槽的同时，也对隔断槽进行进一步的腐蚀，最后在刻蚀栅电极时，台面槽和隔断槽同时腐蚀到需要的深度。

关键字词：电学模型；寄生效应；电力静电感应晶体管；深槽结构；

Research of electrical model of the buried-gate SIT

Abstract: The electrical model of buried-gate structure static induction transistor (SIT) is researched in this thesis. The equivalent circuit model of the buried-gate structure SIT is achieved by SPICE simulation. Through the realization of electrical simulation, an improved design of buried-gate SIT is proposed.
The epitaxial layer of buried-gate structure SIT often accompanied by the parasitic effect. The parasitic effect will lead to the degradation of the device or even failure. Through SPICE simulation, we calculate the resistance of the parasite resistance to research the essence of parasitic effect. By means of establishing the electrical model and simulation, the design parameters and technical processes are determined which can eliminate the parasitic effect of buried-gate SIT.
In this thesis, an improved structure of the power static induction transistor is proposed, i.e. the deep surrounding grooves structure. The structure is designed by a deep surrounding groove which can cut off the parasitic effect effectively. In the parasitic effect model, the experiments show that numerical simulation results accord with the experimental results. Deep surrounding grooves structure can be effectively cut off parasitic path to eliminate parasitic currents and optimize the device electric performance.
The thesis are described this device's design and manufacturing process detailed. In the production process, with the step-by-step grooves etching method, it can be effectively avoided the disadvantages of traditional processing. Through slot layouts, the etching processing is optimized. According to the different depth of grooves, we choose etching from deep to shallow in sequence.

Keywords: Electrical model; Parasitic effect; power static induction transistor; deep grooves structure.

Classification:TN305

目次
摘要 I
目次 III
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 SIT的历史 1
1.3 SIT研究的目的 2
1.4 SIT研究的意义 2
2 SIT简介 3
2.1 SIT原理 3
2.2 SIT的应用 4
2.3 SIT的分类 5
3 SIT的模型 8
3.1 寄生电阻的计算 8
4 SIT的寄生效应 9
4.1 寄生效应的产生 9
4.2 寄生效应的消除 11
4.4 实验结果 12
5 制作工艺介绍 14
5.1主要制作过程 14
5.2分步刻槽法的提出 15
6结论 18
参考文献 19
作者简历 20
学位论文数据集 21

1 绪论

1.1课题背景

静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)诞生于1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合，目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便。此外，SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

1.2 SIT的历史

SIT的结构是由日本的西泽润一和渡边提出的，并于1970年由西泽润一报道了第一只静电感应晶体管。SIT从基本结构、工作原理到重要的工艺即在高阻外延层上做P+隐埋栅，都是二十世纪六七十年代末在西泽半导体研究所开发的。由于SIT器件显示负温度特性，不引起电流集中，易实现大面积化，采用完美晶体生长技术把栅电阻做得非常小；高阻抗层的引入使电极间的电容大大减小，从而实现了高频、千瓦量级的大功率SIT器件。典型的器件有日本乐器公司的200W 60MHz音响放大器用的SIT、东北金属工业公司300W 、1KW、3KW的隐埋栅功率 SIT，这些功率器件表现出典型的常开特性,可用于超声振荡器、工业用高频感应加热等。1976年西泽润一又研制出平面栅结构的SIT。其后日本自动纺织机械制作所利用此技术制造了1000V、200A的常开型功率SIT，用于升降机的DC/AC电机调速。通过减小栅与漏间、栅与线路间的电容，采用能减少栅电阻的嵌入栅结构，1979年三菱电机和东芝公司分别研制成了2GHz 10W；1GHz 100W的微波大功率SIT，作为晶体管首次创造出微波频段、输出超过100W记录，证实了SIT作为晶体管优良的性能，并在开关电源、超声波发生器、广播功率放大器、空间技术等应用方面得以大力开发。经潜心研究和开发，1983年美国GTE公司采用硅平面栅和隐埋栅型结构，研制成功了200～900MHz频带，输出功率100W及1.2GHz 、输出功率25W的SIT，用于卫星通信领域[1]。1986年50MHz、500W高频功率SIT进入市场。1987年日本东芝将3KW常开型功率SIT用于100KHz、300KW的高频感应加热设备，同时开展了200KHz、1MW设备的试制工作。日本的东北金属工业株式会社将50～100W常开型SIT用于飞船。采用300W级的SIT研制出了KW超声波发生器，其中包括振子转换效率在75％以上；采用300W级SIT研制了100KHz、25V、60A开关电源，效率为70％。当时SIT的水平是：截止频率为30～50MHz，连续工作电流250A，最大阻断电压2000V。八十年代中后期，IGBT、VDMOS、MCT等新型器件的开发取代了SIT的研究，研究者们把精力放在更具有完美特性的器件上。主要制造厂商有日本的三菱电机、东芝公司、东北金属工业株式会社，法国的CNET，美国的GTE公司[1]。

1.3 SIT研究的目的

静电感应器件SIT的沟道尺寸又窄又短。微小尺寸效应明显，其电学性能对几何结构、尺寸、材料参数以及工艺制造参数的变化异常敏感。工艺难度很大。实验中发现，器件的寄生效应会导致器件性能的劣化甚至失效，尤其是芯片边界不规则的寄生电流的存在，不仅造成了阻断态下的漏电增大，严重时甚至导致I-V 特性异常，造成器件性能的极大劣化，并降低器件的成品率。本次课题的主要研究SIT的寄生效益，并在理论上找出消除寄生效益的方法[1]。

1.4 SIT研究的意义
　
SIT具有输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好和抗辐射能力强等一系列优点，是一种发展极为迅速的高压大功率器件，其应用范围涉及到电机调速、感应加热系统、开关电源、高音质高频放大器、大功率中频广播发射机、电子镇流器、汽车电子器件和空间、军事等领域，可以说SIT的应用已深入到工业、航空、通信、日常生活等各个领域。其效应是大幅度节约能源，降低材料消耗、实现了对传统工业的技术改善和传统设备的更新换代，实现节能、节材、节约空间的重大经济效益和技术进步。面临国际能源危机、原材料紧张、要求设备高效率、低功耗的形势，SIT器件对国民经济的发展非常重要。据实验表明，SIT器件可以承受相当于在静止轨道十年以上的1016rad的射线，因此，在军事和空间应用方面也有着很大的潜力。

埋栅SIT电学模型的建立

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