功率半導(dǎo)體器件

2.3晶閘管的主要特性(第四講)

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性

2.3.2晶閘管的通態(tài)特性

2.3.3晶閘管的動態(tài)特性本節(jié)主要內(nèi)容

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性晶閘管阻斷模式

(1)PN結(jié)的雪崩擊穿、穿通效應(yīng)

(2)晶閘管的阻斷電壓

(3)晶閘管的最小長基區(qū)寬度Wn(min)器件的結(jié)終端技術(shù)

(1)表面態(tài)與表面電場

(2)結(jié)終端技術(shù)2.3.2晶閘管的通態(tài)特性

(1)晶閘管的通態(tài)電壓

(2)功耗2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）（1）p+n結(jié)的擊穿電壓雪崩擊穿電壓：碰撞電離的強(qiáng)弱程度通常用電離率來表示，有如下經(jīng)驗公式：

式中a、b、n均為常數(shù)。

2.3.1.1晶閘管阻斷模式

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性對于硅的平均電離率可簡化表示為：為常數(shù)。雪崩擊穿條件：

為p+n單邊突變結(jié)的空間電荷區(qū)寬度。

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）p+n結(jié)的電場分布：

將電離率代入雪崩擊穿條件并作變量代換得：積分得到：

又偏壓VA

下的空間電荷層寬度為:2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）將Em、Xm的表達(dá)式代入x=0的E(x)表達(dá)式得:當(dāng)擊穿發(fā)生時，VA=VB，VB為雪崩電壓，式中n為常數(shù)。這里取n=7，取

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）則上式可簡化為:Nb

為硅的摻雜濃度當(dāng)時，通?？扇〕?shù)C≈100，常數(shù)與沿用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式——“GE公式”完全相同。

當(dāng)Wn≥Xm

時得到的是雪崩電壓2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）穿通電壓：

當(dāng)有效基區(qū)寬度隨反向電壓增加而趨近于零時，定義此時p+n結(jié)兩端所承受的耐壓為穿通電壓，記為VPT。當(dāng)Wn≤Xm

時得到的是穿通電壓2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）當(dāng)本底濃度很高（重?fù)诫s）如時，其雪崩電壓與電阻率的關(guān)系如下圖示。(2)晶閘管的阻斷電壓

晶閘管有兩個以上的pn結(jié)，J1、J2

結(jié)的耐壓與單個pn結(jié)有何不同？2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）斷態(tài)電壓→J2結(jié)反向電壓→J1結(jié)2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）反向阻斷電壓：J2結(jié)有電流達(dá)到J1結(jié)，所以J1結(jié)的總電流為

計及雪崩倍增M，由電流連續(xù)性原理有，顯然當(dāng)時，J1結(jié)失去阻斷能力。2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）由：兩邊同乘n為密勒指數(shù)?？梢钥吹剑篤BR＜VB

同樣電阻率的材料作整流二極管，其雪崩電壓為VB，而制成晶閘管，其反向阻斷電壓只有VBR。為pnp管的電流放大系數(shù)，它直接影響到VBR

。2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）晶閘管的反向電壓與二極管反向電壓的比較。2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）斷態(tài)電壓：

由J2結(jié)承擔(dān)，同理有：同樣可以看到：VBF＜

VBR＜VB

為使正、反向電壓對稱，需要a2≒0(3)晶閘管的最小長基區(qū)寬度Wn(min)2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）傳統(tǒng)的設(shè)計方法：設(shè)計電壓指標(biāo)確定電阻率確定片厚Xm投片后修改→→→←————————∣↑∣未計及a1

、a2

、擴(kuò)散長度LP、短基區(qū)寬度等的影響?。?！2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）當(dāng)時，采用優(yōu)化設(shè)計方法。引入優(yōu)化比值K

K＝(1－α1)1/n

VB

＝VB0/Kρ＝(VB/100)1/0.75

Xm

＝A(ρVB0)1/2

Wne

＝LPcosh-1(1/α1)2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）

思路：由Wne和xm可得到晶閘管長基區(qū)寬度Wn的表達(dá)式；對Wn(K)求極值；且有，有極小值存在；令并代入各常數(shù)得到下式：2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）

解上述超越方程可得到α1，依次可求出K、VB、ρ、xm

及Wen

。所以長基區(qū)寬度為：

Wn

＝xm

＋Wen

假定一次擴(kuò)散結(jié)深為xjp

，則硅片厚為:

δ＝Wn

＋2xjp

代入各常數(shù)得到：

(1－α1)2/3

＝4.1×103(1/LP)VB07/6α1(1＋α1)1/2

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）2.3.1.2器件的結(jié)終端技術(shù)(1)表面態(tài)與表面電場局部缺陷與“快表面態(tài)”帶電雜質(zhì)、感生電荷與場強(qiáng)

物理吸附和化學(xué)吸附表面最大電場強(qiáng)度隨正表面態(tài)電荷的增加而增加，隨負(fù)表面態(tài)密度的增加而減小

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）表面電荷對電場的影響:當(dāng)pn結(jié)的低摻雜n區(qū)表面有外來正電荷時，表面空間電荷區(qū)減??；有負(fù)電荷存在時，則結(jié)表面空間電荷區(qū)增寬。E=V/WS

正斜角、負(fù)斜角及電場分布

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）面積由高濃度側(cè)向低濃度側(cè)方向減小的磨角稱正斜角表面空間電荷區(qū)上向彎曲，低摻雜區(qū)的彎曲程度大于高摻雜區(qū)，表面空間電荷區(qū)變寬，表面電場強(qiáng)度下降；面積由低濃度側(cè)向高濃度側(cè)方向減小的磨角稱負(fù)斜角最大電場強(qiáng)度隨負(fù)角的增大而直線上升，并可以超過體內(nèi)電場，最大電場強(qiáng)度的位置在高濃度側(cè)，并逐步移向pn結(jié)。2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）（1）最大電場強(qiáng)度值隨傾斜角減小而單調(diào)下降。（2）既使是90度的斜角（不磨角），表面最大電場強(qiáng)度始終低于體內(nèi)最大電場強(qiáng)度。（3）最大電場強(qiáng)度的位置隨斜角減小而遠(yuǎn)離pn結(jié)。p+nn+結(jié)的“雙角造型”降低了表面電場強(qiáng)度，減小了nn+區(qū)的電場集中。（2）結(jié)終端技術(shù)雙正角和組合斜角造型

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）雙正角造型

（a）“M槽”結(jié)構(gòu)（b）“V型槽”結(jié)構(gòu)（c）正負(fù)斜角造型（d）“臺型”邊緣造型

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）場環(huán)結(jié)構(gòu)當(dāng)主結(jié)的電場達(dá)到臨界擊穿值以前，讓主結(jié)的耗盡層“穿通”到浮動電場環(huán)上。穿通之后的電壓將主要由該浮動電場環(huán)分擔(dān)2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）

結(jié)的終端延伸技術(shù)控制表面的電荷來達(dá)到改善pn結(jié)擊穿特性——局部注入p型雜質(zhì)使在N區(qū)表面形成一個輕摻雜的p區(qū)延伸帶

——用離子注入的方式在表面添加電荷，通過適當(dāng)控制注入電荷的數(shù)量使擊穿電壓達(dá)到理想值

(1)晶閘管的通態(tài)電壓1．體壓降:Vm是Wn/LP的函數(shù)，當(dāng)Wn

/LP≤1時，Vm在pin二極管的總壓降中可以忽略不計。當(dāng)Wn

/LP≥3時，Vm呈指數(shù)增加，遠(yuǎn)大于“短”結(jié)構(gòu)時的壓降。通常取Wn≤3LP。2.3.2晶閘管的通態(tài)特性簡化表達(dá)：2.3.2晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）Wn/LP是體壓降大小的主要標(biāo)志。要減小體壓降，唯一的方法提高少子壽命或縮短基區(qū)寬度。Vm與J無關(guān)。擴(kuò)散長度隨注入載流子濃度的增加而減小。在注入電平大于1017cm-3，載流子-載流子散射和俄歇復(fù)合起著減小La的作用。因而在低電流密度下的“短”結(jié)構(gòu)，在高電流密度下要變?yōu)椤伴L”結(jié)構(gòu)。2.3.2晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）

2．結(jié)壓降:p+in+結(jié)構(gòu)的結(jié)壓降Vj可由載流子濃度分布服從玻爾茲曼分布規(guī)律得到。

2.3.2晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）3．歐姆接觸壓降：正常情況下，大功率器件的歐姆接觸壓降是很小的。2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）(2)晶閘管的功率損耗通態(tài)功率損耗PT

斷態(tài)功率損耗PD

開通損耗Pon關(guān)斷損耗Poff

門極損耗PG

工頻下PT

是主要的.通態(tài)功率損耗PT的簡易算法

2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）

將元件瞬態(tài)正向伏安特性近似看成一直線，該直線與橫軸交點(diǎn)為V0，斜率為1/R,則元件的瞬時通態(tài)電壓可寫為:

V0—通態(tài)伏安特性的起始電壓；

iT—正弦半波電流瞬時值，2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）當(dāng)時,有計算上式得到:由瞬態(tài)VA曲線計算由半導(dǎo)體物理，

2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）考慮到管芯和電極部分的歐姆接觸電阻R，全部壓降為由實(shí)際測得的導(dǎo)通電壓曲線中適當(dāng)選取三個點(diǎn)，以iT和vT代入上式可求出三個常數(shù).

在