1.1 前言
功率半導體元件在電力電子領域方面有廣泛的應用，近年來由於電力電子 技術的進步，使得許多相關的產業成長與發展，如馬達控制、電動汽機車、照明 設備、變頻器與家電用品等，範圍涵蓋工業、通訊與交通等領域，而這些產品使 我們日常生活更為便利。由於功率元件具有耐高壓與高電流的特性，加上高功率 處理能力的相關產品亦不斷改進中，使其在積體電路的應用上也逐漸受到重視。
若能配合近年來越趨成熟的製程技術，將功率元件整合成智慧型功率積體電路
（Smart Power Integrated Circuit）[1][2]，使其功能上能更加完整，則未來將有助 於提升應用層面。
1.2 研究目的與動機
由於電力電子產品通常需要適當的控制電路，而Smart Power IC 即是將功 率電晶體與控制電路整合於同一晶片上，然而，在達到電路積體化的前提下，傳 統垂直式的功率元件必須要改成橫向式結構，如此才能將高低壓整合於同一個晶 片上。這樣的做法有兩項主要優點：
（1） 體積方面：電路積體化後，各個分立的元件集中在同一晶片上，省去許多 額外的包裝與線路連接，就體積上比分立元件來得小。
（2） 成本方面：在工廠大量生產下，晶片生產成本將比分立式元件來得低。
一般來說，高低壓整合比較常使用的積體電路結構有兩種，一種是由磊晶矽
（Epitaxy layer-Si）製作而成，本文便是利用此種積體電路結構。而另外一種架 構則是利用SOI 晶片（Silicon on insulator）所製成[3]。此兩種架構均可使高壓 元件與低壓控制電路結合。而前者所使用的隔離技術為接面隔離（Junction isolation）[4][5]技術，後者則利用介電質隔離（Dielectric isolation）[6]技術來對
高低壓元件進行隔離。
理想的功率元件應具有容易操作、能操作在高功率與高頻率的環境，並且 低損耗功率的特性。而未來功率元件的發展將朝此目標前進，表1.1 便是一個理 想功率元件應具有的特性。
表1.1 良好功率元件特性 元件驅動 具備低電壓驅動與簡單的驅動電路。
切換速度 可操作頻率要高，切換速度快。
操作功率
需有耐高壓與承載大電流的能力，其安全操作區域
（Safe Operating Area 簡稱 SOA）要大。
功率損耗
需有低漏電功率消耗、低導通功率消耗以及低切換 功率消耗特性。
功率元件中的LIGBT 便具有上述優點，其利用閘極端控制電路，使得驅動 元件簡單並且不需要輸入電流。並且具有耐高壓與高電流的特性，使其在適合應 用於高功率處理的產品。導通電阻方面，LIGBT 有傳導調變效應，使得導通電 阻較小，得以降低導通功率損耗。然而，在操作頻率方面，由於 LIGBT 是利用 多數載子與少數載子來傳導電流，因此，在元件關閉時，會有少數載子囤積的現 象，使得元件切換速度只能在幾十KHz 的量級。另外 LIGBT 由於結構的關係，
有寄生閘流體的存在，有閂鎖效應的問題。
雖然LIGBT 具有上述良好功率元件的多項優點，然而，在操作頻率上的特 性依然需要改進。因此，本文以元件耐壓700V 為目標下，選用具有耐高壓與高 電流特性的 LIGBT 為主要研究元件，希望能夠針對操作頻率上的缺點，進行元 件結構的改善，使元件達最佳設計。
1.3 論文架構
其中第二章我們將回顧LIGBT 元件的發展，有助於瞭解元件改良的目標，
確定研究方向，並且對元件工作的原理加以探討，藉此更進一步瞭解元件特性。
第三章主要是對元件耐高壓原理進行探討，並且以定量分析的方法估算元件參數 設計的範圍，提供模擬時明確的方向來符合耐壓規格。第四章為針對元件關閉延 遲現象，進行元件結構改善設計。第五章為模擬結果與討論，利用軟體模擬的結 果驗證元件結構改善的設計方法。最後第六章為結論與未來展望。