晶闸管动态特性(5)[综合教育]

1、2.3.32.3.3晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性 (第五讲) 2.3 晶闸管的主要特性 晶闸管的动态特性 晶闸管在由开到关或由关到开的转变过程 中的状态称为动态。 动态特性分为： 晶闸管的开通特性 晶闸管的 dv/dt 耐量 晶闸管的 di/dt 耐量 晶闸管的关断特性 1.晶闸闸管开开通特性 l 开通条件：开通条件：1 + 2 1 其导通不是立刻完成的；其导通不是立刻完成的； l 开通时间开通时间: : 定义元件由 定义元件由“断态断态”到到“通态通态”的时间为开通的时间为开通 时间，用时间，用tonton表示，则表示，则 ton= td + tr 100% 90% 10% uAK t

2、t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 晶闸管开通特性(续） 延迟时间延迟时间t td d规定规定I IG G上升到上升到 50%50%起到晶闸管的阳极电流上起到晶闸管的阳极电流上 升到额定值的升到额定值的10%10%为止这一段为止这一段 时间。时间。 上升时间上升时间trtr规定阳极电流规定阳极电流 由由10%10%上升到上升到90%90%所需的时间。所需的时间。 扩展时间扩展时间tsts阳极电流由阳极电流由9090 % %I IA A上升到额定值，元件由局上升到额定值，元件由局 部导通扩展到全面积导通。部导通扩展到全面积导通。 晶闸管开通特性(续） l 临界电荷量临界电

3、荷量：在短基区积累的使元件导通的少子电量。：在短基区积累的使元件导通的少子电量。 当超过这一数值后，只要再输入一点电流，阳极电流当超过这一数值后，只要再输入一点电流，阳极电流 就会雪崩式的增长直至开通。就会雪崩式的增长直至开通。 开通过程的半定量分析开通过程的半定量分析 晶闸管开通特性(续） l 由晶体管原理可以证明，当基区杂质为指数分布，发由晶体管原理可以证明，当基区杂质为指数分布，发 射极电流为射极电流为IeIe时，基区中积累的电子电荷是时，基区中积累的电子电荷是: : 式中式中 ，p p(0)(0)为为J J3 3结结p p2 2侧的杂质浓度侧的杂质浓度. . 取取IeIe= =I IL

4、 L ( (擎住电流擎住电流) )，有，有: : 式中，式中， 2 2 1 e D W Q n pe b )( ) 0( ln pe Wp p peL n pe Lcr tI D W IQ 5 2 n pe pe D W t 5 2 晶闸管开通特性(续） 强触发对ton的影响 ： 强触发会使延迟时间强触发会使延迟时间 大大缩短；大大缩短； 影响开通过程的因素影响开通过程的因素 晶闸管开通特性(续） 阳极电流、电压及温度对阳极电流、电压及温度对 t ton on的影响 的影响 随着电压增高，随着电压增高，J J2 2结空间结空间 电荷区扩展使有效基区宽电荷区扩展使有效基区宽 度减小，因此存贮电荷

5、下度减小，因此存贮电荷下 降。降。 由由 可知触发延迟时间缩短。可知触发延迟时间缩短。 gtg cr dd II Q tt 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量 l 当晶闸管不论被何种方式引起当晶闸管不论被何种方式引起 以后，其导以后，其导 通不是立刻完成的。开通后等离子体有一个扩展过程，通不是立刻完成的。开通后等离子体有一个扩展过程， 扩展速度为扩展速度为0.03-0.1mm/0.03-0.1mm/s s 。 (1) 问题的提出问题的提出 1 21 l 以侧门极结构为例，若阴极内 侧的半径为3.5mm，扩展速度以扩展速度以 0.1mm/s 计，扩展1 s 的导通 面积约为1m

6、m2,假定电路的di/dt 为100A/ s ,则开通时的电流密度 可达每cm2近万安培。 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） di/dtdi/dt耐量耐量-在指定电压下，每个器件都有一允许在指定电压下，每个器件都有一允许 的的di/dtdi/dt额定值，即额定值，即di/dtdi/dt耐量。耐量。 由于硅的比热很小，热容量不大，硅的热传由于硅的比热很小，热容量不大，硅的热传 导率也很小，因此电流通道中只有很少的热被传导率也很小，因此电流通道中只有很少的热被传 导出去，从而电流通道中的温度会迅速上升，造导出去，从而电流通道中的温度会迅速上升，造 成硅成硅pnpn结局部的

7、迅速熔化。结局部的迅速熔化。 l红外观测器件的导通扩展红外观测器件的导通扩展 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） 常见的常见的di/dtdi/dt失效失效 放电应用；放电应用； 雷电浪涌；雷电浪涌； 短路电流；短路电流； 中频或高频应用中频或高频应用 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） 研究扩散速度的理论模式研究扩散速度的理论模式 等离子模式等离子模式 横向电场模式横向电场模式 (2)(2)扩展模型扩展模型 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） 等离子模式等离子模式: :将初始传导看作大注入过程，即P2区包含相等密 度的电子

8、和空穴，基本上对外呈中性。就可以把等离子体的传 播当作一个纯扩散过程来研究。 当 时，v=0。 当 稍大于 时，v随上升的电流密度大约按 增加。 当 时，有 :触发区剩余载流子浓度 :临界剩余载流子浓度 4/1 )( crn ra nqW JtD v crst nn2 st n cr n crst nn2 crst nn2 Jv 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） 横向电场模式横向电场模式: : 认为在这一过程中，由于大多数载流子从门极传认为在这一过程中，由于大多数载流子从门极传 输到阴极边缘，所以建立起一个侧向电场，即可把传输到阴极边缘，所以建立起一个侧向电场，即可把

9、传 导扩散当作侧向电场引起的漂移过程。导扩散当作侧向电场引起的漂移过程。 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） l 侧向电场图象：侧向电场图象：晶闸管等效为两部分，用二极管和电容表示晶闸管等效为两部分，用二极管和电容表示p p n n结，结， R R1 1、R R2 2分别是分别是p p2 2基区和基区和n n1 1基区的横向电阻。基区的横向电阻。 p 当在当在A K A K 间加间加400400伏正向阻断电压由伏正向阻断电压由J J2 2结承担；结承担； p 当图中所示局部一旦导通，导通区域的正向压降若为当图中所示局部一旦导通，导通区域的正向压降若为2V2V，则，则 整

10、个整个A KA K间电压变为间电压变为2V2V； p 电压的这一变化引起第二个变化，电压的这一变化引起第二个变化，J J2 2结电容原充电至结电容原充电至400V400V，此，此 时要通过时要通过R R2 2、J J2 2结导通部分、结导通部分、R R1 1而放电。这样在而放电。这样在p p2 2区和区和n n1 1区产区产 生了横向电场。生了横向电场。 pp p2 2区堆积的空穴和区堆积的空穴和n n1 1区堆积的电子在该横向电场的作用下都从区堆积的电子在该横向电场的作用下都从 左向右扩展。随着左向右扩展。随着J J2 2结预先所加反偏压越大。结预先所加反偏压越大。 2.2.晶闸管的晶闸管的

11、di/dtdi/dt耐量耐量(续） Matsuzawa由红外显象技术或微波反射技术测量扩展由红外显象技术或微波反射技术测量扩展 速度的试验速度的试验 结果表明：结果表明： v (J)1/n ，式中J为电流密度、n =23； v ，为基区内的平均少子寿命； v 。 2/1 )( n W 1 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） 防止防止di/dtdi/dt破坏失效的两个方面：破坏失效的两个方面： 应用方面：应用方面： 强触发；强触发； 串电感以抑制电路的串电感以抑制电路的di/dtdi/dt。 器件方面：器件方面： 提高载流子扩展速度提高载流子扩展速度强触发；强触发； 增大

12、初始导通边长。增大初始导通边长。边长比边长比1212 ( (边长比边长比: :主晶闸管初始触发边长主晶闸管初始触发边长/ /放大门极初始触发边长放大门极初始触发边长) ) 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量 提高提高di/dtdi/dt耐量的措施耐量的措施: 增强触发电流 场引进结构 再生门极结构 l 放大门极结构 渐开线结构 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 提高提高di/dtdi/dt耐量的措施耐量的措施: : 场引进结构 图中B处圆弧为一高阻槽，槽 左侧为一小晶闸管。晶闸管开 通时，小晶闸管先开通，形成 B(+)到D(-)的高电场，促使晶 闸管

13、迅速开通。 这一原理称为 FI原理 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 提高提高di/dtdi/dt耐量的措施耐量的措施: :再生门极结构 通过金属接触M1把门极附 近在横向场中形成的电压 分接到M2，M1和M2同时 形成比阴极高的电压，使 附近的n2发射极强烈处于 正向偏置，通过FI原理 产生越来越大的门极电流， 促使晶闸管开通。 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） l 提高提高di/dtdi/dt耐量的措施耐量的措施: : u放大门极原理：放大门极原理： 当RgoRg1时，辅助晶闸管 T1先开通，形成C(+)D (-) 强电场，开通晶闸管。

14、必须注意：防止T1开通之 前T2过早开通。 可以通过严格控制RgoRg1, 或使T1转折电压T2的Vbf 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 采用放射状中心放大门极和采用放射状中心放大门极和 内外环放大门极结构来延长内外环放大门极结构来延长 初始导通边长。主晶闸管导初始导通边长。主晶闸管导 通边长与放大门极导通边长通边长与放大门极导通边长 之比大于之比大于1212，放大门极与阴，放大门极与阴 极间槽电阻大于极间槽电阻大于11。 通过控制控制主晶闸管初始通过控制控制主晶闸管初始 触发周边与放大门极初始触触发周边与放大门极初始触 发周边之比、放大门极至阴发周边之比、放大门极

15、至阴 极之间的等效横向电阻来调极之间的等效横向电阻来调 整和改善整和改善di/dtdi/dt特性；特性； 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续续） 渐开线结构 2/12 0 )1( rr 图中的圆半径为r0。 渐开线ABC的极坐标为： DEF的极坐标为： 例如有36个指条状门极和阴极构成 的渐开线结构，使晶闸管的耐量提 高了25倍，达到1000A/us，但由 于发射周长增加，Ig需增加10倍， 故常采用放大门极开启。 2/12 0 )(1 rr 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量(续） l di/dtdi/dt容量的估算容量的估算 2.2.晶闸管的晶闸管的

16、di/dtdi/dt耐量耐量(续） 12 1212 1ln11 2 rr t t rr t rr tV Tnvcd dt di on onon onA 如果忽略热传导，单个脉冲引起的结温升为：如果忽略热传导，单个脉冲引起的结温升为： on t dt c tzyxP T 0 ),( 式中式中 为热功当量，为热功当量， ，代入上式计算得：，代入上式计算得： 卡/18. 4J 式中 c=0.162卡/克硅的比热； =2.33g/cm3硅的密度； n=2.06； v扩展速度 dSi片厚度 3.3.晶闸闸管 dv/dt 耐量 l 瞬变条件下，阻断晶闸管在转折电压下能够转变为正瞬变条件下，阻断晶闸管在转折

17、电压下能够转变为正 向传导状态，晶闸管特性退化程度取决于阳极电压的大向传导状态，晶闸管特性退化程度取决于阳极电压的大 小和它增长的速度。这一现象称之为上升速率效应或小和它增长的速度。这一现象称之为上升速率效应或dv/dv/ dtdt效应。效应。 l dv/dtdv/dt定义：定义：在额定结温、门极断路和正向阻断条在额定结温、门极断路和正向阻断条 件下，元件在单位时间内所能允许上升的正向电压。件下，元件在单位时间内所能允许上升的正向电压。 若电压是直线上升的，则可表示为：若电压是直线上升的，则可表示为： t VV dt dv DFDF 1.09.0 3.3.晶闸闸管 dv/dt 耐量(续） l

18、当一个迅速上升的电压加到晶闸管上，随着当一个迅速上升的电压加到晶闸管上，随着J J2 2结电压结电压v vj j2 2 的变化，在的变化，在J J2 2结电容上产生位移电流结电容上产生位移电流I ID D ： u短路发射极原理：短路发射极原理： dt d CI jD v 2 其原理是基于横向电阻效应其原理是基于横向电阻效应。当电流较小当电流较小 时，通过时，通过J J2 2结的电流直接从结的电流直接从p p2 2区经短路点流向阴区经短路点流向阴 极欧姆接触。由于没有电流经极欧姆接触。由于没有电流经J J3 3结，所以结，所以J J3 3结向结向 p p2 2区注入的电子很少、区注入的电子很少、

19、a a2 2很小；很小； 当电流继续增大，电流在当电流继续增大，电流在p p2 2区横向流动就会在基区产生一定的电压降区横向流动就会在基区产生一定的电压降 落，此电压使远离短路点部分的电位提高，该部分落，此电压使远离短路点部分的电位提高，该部分J J3 3结的正向电压结的正向电压V V3 3增大。增大。 3. 3. 晶闸闸管 dv/dt 耐量(续） 提高提高 dv/dtdv/dt 耐量的方法耐量的方法 减小结电容以减小位移电流减小结电容以减小位移电流 增加长基区宽度以减小增加长基区宽度以减小 减小减小 降低发射极注入效率以减小小电流下的降低发射极注入效率以减小小电流下的r r1 1、 、r r

20、2 2 采用短路发射结构以减小位移电路引起的正向转折电压采用短路发射结构以减小位移电路引起的正向转折电压 下降下降 np 、 3. 3. 晶闸管 dv/dt 耐量(续） 短路发射极结构的半定量计算短路发射极结构的半定量计算 根据引起的位移电流在结造根据引起的位移电流在结造 成的压降应小于开放电压、成的压降应小于开放电压、 使这一条件，可以估算出一使这一条件，可以估算出一 确定器件的耐量。确定器件的耐量。 1ln2 16v 22 0 d D DdRC SV dt d S D 3. 3. 晶闸管 dv/dt 耐量(续） l 式中式中C C0 0为为J J2 2结电容，结电容，S S为为J J2 2

21、结面积。结面积。K K为为短路系数短路系数 由上式可看出由上式可看出： （1 1）要获得大的）要获得大的 ，则短路系数要小，因而，则短路系数要小，因而D D和和d d都都 必须小，可见密而小的短路发射极对耐量的提高是有必须小，可见密而小的短路发射极对耐量的提高是有 利的。利的。 （2 2）RsRs为有效为有效p p基区的薄层电阻，基区的薄层电阻， RsRs 过大会影响短路过大会影响短路 效果，不利于效果，不利于dv/dtdv/dt耐量的提高。耐量的提高。 dt d v 1ln2 22 d D DdK 4.4.晶闸闸管关断关断特性 l 关断过程就是积累的非平衡关断过程就是积累的非平衡 载流子的消

22、失过程，为了使载流子的消失过程，为了使 晶闸管在导通以后重新获得晶闸管在导通以后重新获得 正向阻断能力，非平衡载流正向阻断能力，非平衡载流 子的浓度必须下降到比临界子的浓度必须下降到比临界 存储电荷小的程度，这一过存储电荷小的程度，这一过 程需要一定的时间，称为程需要一定的时间，称为关关 断时间断时间。 定义为电流过零到重加正向电定义为电流过零到重加正向电 压过零这一段时间，用压过零这一段时间，用t toff off表 表 示。示。 普通晶闸管的关断时间约几百微秒普通晶闸管的关断时间约几百微秒 4.4.晶闸管关断特性(续） n 关断瞬态的关断瞬态的“反向电流、正向偏置反向电流、正向偏置” 可以

23、用贮存电荷加以说明：可以用贮存电荷加以说明： 由于由于p p2 2区的杂质浓度远高于区的杂质浓度远高于n n1 1区，区，J J2 2结又为正结又为正 向结，故向结，故p p2 2区空穴将向区空穴将向n n1 1区注入，而区注入，而n n1 1区的电子却区的电子却 不易向不易向p p2 2区注入，这样在长基区中尽管空穴可以从区注入，这样在长基区中尽管空穴可以从 J J1 1结流走，但又得到了结流走，但又得到了p p2 2区注入空穴的补充，电子区注入空穴的补充，电子 又不易向又不易向p p2 2区输出，因此长基区的载流子消失很慢。区输出，因此长基区的载流子消失很慢。 加上一负的门极电流，抽走加上

24、一负的门极电流，抽走p p2 2区的过剩电荷，储存区的过剩电荷，储存 时间将大大缩短，关断速度可以加快。时间将大大缩短，关断速度可以加快。 4.4.晶闸管关断特性(续） 前已述，晶闸管在电路中关断的条件是回路电流要前已述，晶闸管在电路中关断的条件是回路电流要 小于小于I IH H，如果关断时，如果关断时“拖尾电流长，某一时段后仍有大拖尾电流长，某一时段后仍有大 于于I IH H的电流，则晶闸管关断失败。的电流，则晶闸管关断失败。 减小关断时间的措施：减小关断时间的措施： H Fm poff I I tln 4.4.晶闸管关断特性(续） t toff off与其它参量的关系 与其它参量的关系 与结构参数的关系 4.4.晶闸闸管关断关断特性(续） tofftoff与其它参量的关系与其它参量的关系: 与外部运行参数的关系 随结温的增加而增加，主要是因为随结温的增加而增加，主要是因为 随温度增加而随温度增加而 增加增加; ; 随反向电压的增加而减小随反向电压的增加而减小; ; 随通态电流的增加而增加随通态电流的增加而增加. . p 4.4.晶闸管关断特性 基区少子寿命控制技术基区少子寿命控制技术: : 少子寿命控制方法： 把某种在硅的禁带中显示深能级的杂质扩散到硅中把某种在硅的禁带中显示深能级的杂质扩散到硅中 采用高能粒子轰击采用高能粒子轰击 采用磷或硼吸收的作用，控制器件中