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文檔簡介

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的表達式代入x=0的E(x)表達式得:當擊穿發(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))當本底濃度很高(重摻雜)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,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)計電壓指標確定電阻率確定片厚Xm投片后修改→→→←————————∣↑∣未計及a1

、a2

、擴散長度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

物理吸附和化學吸附表面最大電場強度隨正表面態(tài)電荷的增加而增加,隨負表面態(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斜角最大電場強度隨負角的增大而直線上升,并可以超過體內(nèi)電場,最大電場強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),表面最大電場強度始終低于體內(nèi)最大電場強度。(3)最大電場強度的位置隨斜角減小而遠離pn結(jié)。p+nn+結(jié)的“雙角造型”降低了表面電場強度,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)當主結(jié)的電場達到臨界擊穿值以前,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,通過適當控制注入電荷的數(shù)量使擊穿電壓達到理想值

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

/LP≤1時,Vm在pin二極管的總壓降中可以忽略不計。當Wn

/LP≥3時,Vm呈指數(shù)增加,遠大于“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: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,全部壓降為由實際測得的導(dǎo)通電壓曲線中適當選取三個點,以iT和vT代入上式可求出三個常數(shù).

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