bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2026-24-5-24-32bsuir-4444Research ArticleСтатьиСуперпереходный биполярный транзистор с изолированным затвором и вертикальным рас­ положением канала с экранированным плавающим слоем накопления носителей зарядSuper-Junction Insulated-Gate Bipolar Transistor with a Vertical Channel Arrangement and a Shielded Floating Charge-Carrier Accumulation LayerЧонгТхань НгуенTrongThanh Nguyen

Чонг Тхань Нгуен, асп. каф. микрои наноэлектроники

Минск

Trong Thanh Nguyen, Postgraduate of the Department of Microand Nanoelectronics

Minsk

ЛовшенкоИ. Ю.LovshenkoI.

Ловшенко И. Ю., зав. науч.-исслед. лаб. «Компьютерное проектирование микрои наноэлектронных систем» (НИЛ 4.4)

Минск

Lovshenko I., Head of the Research Laboratory “Computer-Aided Design of Microand Nanoelectronic Systems” (Lab. 4.4)

Minsk

ВолчёкВ. С.VolcheckV.

Волчёк Владислав Сергеевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. НИЛ 4.4 Тел.: +375 17 293-86-79

220013, Минск, ул. П. Бровки, 6

 Volcheck Vladislav, Cand. Sci. (Tech.), Senior Researcher at the Lab. 4.4  Tel.: +375 17 293-86-79

220013, Minsk, P. Brovki St., 6

vlad.volchek@bsuir.byНовиковП. Э.NovikovP.

Новиков П. Э., мл. науч. сотр. НИЛ 4.4

Минск

Novikov P., Junior Research at the Lab. 4.4

Minsk

СтемпицкийВ. Р.StempitskyV.

Стемпицкий В. Р., канд. техн. наук, доц., науч. рук. НИЛ 4.4, проректор по научной работе

Минск

Stempitsky V., Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor, Scientific Director of the Lab. 4.4, Vice-Rector for Research

Minsk

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиБеларусьBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsBelarus2026071120262452432Copyright © Чонг Т., Ловшенко И.Ю., Волчёк В.С., Новиков П.Э., Стемпицкий В.Р., 20262026Чонг Т., Ловшенко И.Ю., Волчёк В.С., Новиков П.Э., Стемпицкий В.Р.Trong T., Lovshenko I., Volcheck V., Novikov P., Stempitsky V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/4444

Предложена и исследована посредством компьютерного моделирования приборная структура суперпереходного биполярного транзистора с изолированным затвором с плавающим слоем накопления носителей заряда. В рассматриваемой структуре слой накопления экранируется расположенным под ним p-слоем. Установлено, что концентрация в слое накопления носителей заряда не влияет на напряжение пробоя, а предлагаемая приборная структура биполярного транзистора с изолированным затвором обладает более высокой эффективностью по сравнению с традиционным суперпереходным траншейным биполярным транзистором с изолированным затвором, суперпереходными траншейными биполярными транзисторами с изолированным затвором с плавающей p-областью и с адаптивным путем экстракции дырок. Так, при одинаковом падении напряжения в открытом состоянии 0,946 В энергия потерь при выключении у предлагаемого прибора на 75,38 % меньше, чем у суперпереходного траншейного биполярного транзистора с изолированным затвором с плавающей p-областью, и на 52 % меньше, чем у транзистора с адаптивным путем экстракции дырок. При одинаковой энергии потерь при выключении 2,3 мДж/см2 падение напряжения в открытом состоянии у предлагаемого прибора на 39,86 % меньше, чем у суперпереходного траншейного биполярного транзистора с изолированным затвором.

A device structure for a superjunction insulated-gate bipolar transistor featuring a floating charge-carrier accumulation layer has been proposed and investigated via computer simulation. In this structure, the accumulation layer is shielded by an underlying p-type layer. It is established that the charge-carrier concentration within the accumulation layer does not affect the breakdown voltage. Furthermore, the proposed insulated-gate bipolar transistor structure demonstrates superior efficiency compared to conventional superjunction trench insulated-gate bipolar transistor’s, as well as those utilizing a floating p-region or an adaptive holeextraction path. Specifically, at an identical on-state voltage drop of 0.946 V, the turn-off energy loss of the proposed device is 75.38 % lower than that of a superjunction trench insulated-gate bipolar transistor with a floating p-region, and 52 % lower than that of a device with an adaptive hole-extraction path. Conversely, for a constant turn-off energy loss of 2.3 mJ/cm2, the on-state voltage drop of the proposed device is 39.86 % lower than that of a standard superjunction trench insulated-gate bipolar transistor.

баланс зарядамоделированиенапряжение пробояпадение напряжения в открытом состояниисиловая электроникаслой накопления носителей зарядасуперпереходный биполярный транзистор с изолированным затворомтранзистор траншейного типаэкранирующий плавающий слойэнергия потерьcharge balancemodelingbreakdown voltageon-state voltage droppower electronicscharge-carrier accumulation layersuperjunction insulated-gate bipolar transistortrench-gate transistorfloating shielding layerenergy lossReferencesIwamuro N., Laska T. (2017) IGBT History, State-of-the-Art, and Future Prospects. IEEE Transactions on Electron Devices. 64 (3), 741–752. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2654599.Iwamuro N., Laska T. (2017) IGBT History, State-of-the-Art, and Future Prospects. IEEE Transactions on Electron Devices. 64 (3), 741–752. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2654599.Wang H., Su M., Sheng K. (2017) Theoretical Performance Limit of the IGBT. IEEE Transactions on Electron Devices. 64 (10), 4184–4192. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2737021.Wang H., Su M., Sheng K. (2017) Theoretical Performance Limit of the IGBT. IEEE Transactions on Electron Devices. 64 (10), 4184–4192. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2737021.Bernet S. (2000) Recent Developments of High Power Converters for Industry and Traction Applications. IEEE Transactions on Power Electronics. 15 (6), 1102–1117. https://doi.org/10.1109/63.892825.Bernet S. (2000) Recent Developments of High Power Converters for Industry and Traction Applications. IEEE Transactions on Power Electronics. 15 (6), 1102–1117. https://doi.org/10.1109/63.892825.Shenai K. (2015) The Invention and Demonstration of the IGBT. IEEE Power Electronics Magazine. 2 (2), 12–16. https://doi.org/10.1109/MPEL.2015.2421751.Shenai K. (2015) The Invention and Demonstration of the IGBT. IEEE Power Electronics Magazine. 2 (2), 12–16. https://doi.org/10.1109/MPEL.2015.2421751.Laska T., Munzer M., Pfirsch F., Schaeffer C., Schmidt T. (2000) The Field Stop IGBT (FS IGBT). A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential. 12th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs Proceedings. 355–358. https://doi.org/10.1109/ISPSD.2000.856842.Laska T., Munzer M., Pfirsch F., Schaeffer C., Schmidt T. (2000) The Field Stop IGBT (FS IGBT). A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential. 12th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs Proceedings. 355–358. https://doi.org/10.1109/ISPSD.2000.856842.Zhang W., Zhang B., Qiao M., Li Z., Luo X., Li Z. (2017) The RON,min of Balanced Symmetric Vertical Super Junction Based on R-Well Model. IEEE Transactions on Electron Devices. 64 (1), 224–230. https://doi.org/10.1109/TED.2016.2632113.Zhang W., Zhang B., Qiao M., Li Z., Luo X., Li Z. (2017) The RON,min of Balanced Symmetric Vertical Super Junction Based on R-Well Model. IEEE Transactions on Electron Devices. 64 (1), 224–230. https://doi.org/10.1109/TED.2016.2632113.Antoniou M., Udrea F., Bauer F. (2010) The Superjunction Insulated Gate Bipolar Transistor Optimization and Modeling. IEEE Transactions on Electron Devices. 57 (3), 594–600. https://doi.org/10.1109/TED.2009.2039260.Antoniou M., Udrea F., Bauer F. (2010) The Superjunction Insulated Gate Bipolar Transistor Optimization and Modeling. IEEE Transactions on Electron Devices. 57 (3), 594–600. https://doi.org/10.1109/TED.2009.2039260.Oh K. H., Lee J., Lee K. H., Kim Y. C., Yun C. (2006) A Simulation Study on Novel Field Stop IGBTs Using Superjunction. IEEE Transactions on Electron Devices. 53 (4), 884–890. https://doi.org/10.1109/TED.2006.870278.Oh K. H., Lee J., Lee K. H., Kim Y. C., Yun C. (2006) A Simulation Study on Novel Field Stop IGBTs Using Superjunction. IEEE Transactions on Electron Devices. 53 (4), 884–890. https://doi.org/10.1109/TED.2006.870278.Takahashi T., Tomomatsu Y., Sato K. (2008) CSTBT (III) as the Next Generation IGBT. Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s. 72–75. https://doi.org/10.1109/ISPSD.2008.4538900.Takahashi T., Tomomatsu Y., Sato K. (2008) CSTBT (III) as the Next Generation IGBT. Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s. 72–75. https://doi.org/10.1109/ISPSD.2008.4538900.Zhang J. P., Deng H. N., Zhu R. R., Li Z. H., Zhang B. (2022) High Performance Carrier Stored Trench Bipolar Transistor with Dual Shielding Structure. Chinese Physics B. 32 (3). https://doi.org/10.1088/1674-1056/ac873d.Zhang J. P., Deng H. N., Zhu R. R., Li Z. H., Zhang B. (2022) High Performance Carrier Stored Trench Bipolar Transistor with Dual Shielding Structure. Chinese Physics B. 32 (3). https://doi.org/10.1088/1674-1056/ac873d.Wei J., Zhang S., Luo X., Fan D., Zhang B. (2021) Low Switching Loss and EMI Noise IGBT with Self-Adaptive Hole-Extracting Path. IEEE Transactions on Electron Devices. 68 (5), 2572–2576. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3065898.Wei J., Zhang S., Luo X., Fan D., Zhang B. (2021) Low Switching Loss and EMI Noise IGBT with Self-Adaptive Hole-Extracting Path. IEEE Transactions on Electron Devices. 68 (5), 2572–2576. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3065898.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.