RSD短脉冲放电应用中的集肤效应研究

1、RSD短脉冲放电应用中的集肤效应研究*基金项目：国家自然科学基金(50277016，50577028)；高等学校博士学科点专项科研基金(20050487044)梁 琳 余岳辉 邓林峰 王玉彬（华中科技大学 电子科学与技术系，湖北 武汉 430074）摘 要：本文讨论了大功率超高速半导体开关RSD（Reversely Switched Dynistor）导通时的集肤效应，在考虑了大注入效应和强场引起的雪崩电离效应的RSD模型基础上，得到了在集肤效应影响下的芯片上的电流密度分布，越靠近边沿电流密度越大，且随着电流上升率的提高芯片中心和边沿电流密度的差距加大，该结论得到了初步实验验证。基于此，在电流

2、上升率很高的短脉冲放电应用中，应尽量使用小直径RSD芯片，以提高芯片面积的利用率。关键词：RSD；开关；短脉冲；集肤效应引言20世纪80年代末，俄罗斯科学院的I V Grekhov教授等人基于可控等离子层原理，提出了一种新结构的半导体脉冲功率开关RSD（Reversely Switched Dynistor）1。在合适的触发条件下，RSD可实现在芯片全面积上均匀同步开通，可承受的电流上升率达60kA/s，因此其在超大功率短脉冲放电领域中有良好的应用前景2。短脉冲放电电流中包含有丰富的高频分量，与交流电流流过导体时会发生集肤效应类似，RSD在短脉冲放电应用中也有电流集中流向芯片边缘的趋势。本文首

3、次提出了半导体器件中的集肤效应问题，对考虑了集肤效应的导通后的RSD上电流密度分布作了定量计算，证明了该效应的真实存在，并认为为保证芯片面积的有效利用，在短脉冲放电中应尽量使用小直径RSD芯片，而通过多单元并联结构满足电流容量的要求。集肤效应的理论解释交流电流流过导体时，电流方向是交替变化的，电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小3。设如图1所示圆柱电流强度为I，沿Z轴均匀分布在圆柱体内，圆柱半径为R，由安培环路定理得，r处的磁感应强度为 （1）式中0为真空磁导率。矩形OOAC和矩形ACDB的磁通1和2分别为 （2） （3）

4、如圆柱导体上电流变化，则AC间的感应电动势为 （4）在r=OA到r+dr=OA间，高为h的管的电阻为 （5）式中为电阻率，则AC间的感应电流密度为 （6）式中A为通流面积，则总电流密度分布为 （7）由式（7）可见，总电流密度J(r)是关于r的增函数，即离圆心越近处电流密度越小，离边缘越近处电流密度越大，这就形成了电流趋向于在靠近导体表面附近流动的集肤效应。RSD的物理模型如图2所示，RSD是由数万只非对称p+npn+晶闸管和n+npn+晶体管多元胞交替排列而成的两端结构，依靠反向注入控制开通，其具体的结构特点和工作原理参见文献4，在此不述。图2 RSD结构及工作电路原理图图1 圆柱电流磁场分布

5、为讨论RSD中的集肤效应，须求解RSD导通后体内剩余等离子体的浓度分布。设n、p分别为电子、空穴的非平衡载流子浓度，n、p分别为电子、空穴的寿命，则在大注入条件下有p=n，p=n，令=p=n。又设n、p为电子、空穴的迁移率，Dn、Dp为电子、空穴的扩散系数，Gn、Gp为电子、空穴的产生率，并令b=n/p，D=2DnDp/(Dn+Dp)，应 用迁移率的Caughey-Thomas模型，并考虑强电场引起的碰撞电离效应，建立如图2所示坐标系，可得到大注入及强电场条件下RSD的基本方程 （8）设jn1、jn2、jn3分别为J1结、J2结、J3结处的电子电流密度，jp1、jp2、jp3分别为J1结、J2

6、结、J3结处的空穴电流密度，则在反向预充结束的时刻tR，在J1结、J2结、J3结处分别有 （9） （10） （11）在反向预充阶段，即ttR时 （12） （13）在正向导通阶段，即ttR时 （14） （15）式（12）（15）中hp、hn为复合常数，取hp=hn=1.510-14cm4s-1，则总电流密度j(t)的表达式为 （16）由基尔霍夫定律得到图2中的电流和电压方程 （17） （18） （19）式（18）、（19）中u为RSD上的电压，在预充阶段主要为J2结结压降和n基区体压降，在导通阶段主要为J1结和J3结的结压降以及n基区和p基区体压降。计算结果与初步实验验证采用有限差分法，将偏微分

7、方程（8）离散化，转化为差分方程，用显示法求解可得到剩余等离子体的浓度分布，从而可求得电流密度j及其变化率dj/dt，又RSD导通后的电阻率可表示为 （20）将以上结果代入式（7）中，可得到考虑了集肤效应以后的某横截面上RSD导通电流密度随位置的变化。RSD器件参数取常规工艺情况，其中芯片有效半径1.7cm，电路参数如下：主电容C1为100f，主电压U1为10kV，负载RL为0.1，主回路电感L1分别取5H和1H，预充电容C2为1f，预充电压U2为1.5kV，预充回路电感L2为2H，预充回路电阻R2为0.2。取电流上升沿某时刻，计算得到的芯片上总电流密度的分布如图3（a）和（b）所示。当L1为

8、5H时，芯片中心与边沿的电流密度相差约140Acm-2；随着电感的减小，当L2为1H时，芯片中心与边沿的电流密度相差约700Acm-2，这是由于dj/dt的增大使集肤更加严重。（a）（b）图3 RSD芯片上总电流密度分布在实验室近期制备的一批管芯中，由于工艺失误使阳极n+发射区浓度较正常情况低，预充不足，损耗大。以其中编号为RSD4070(4)-06-8的4只串联堆体为例，3kV下开通电流电压波形如图4所示，从电压波形可看到明显尖峰，说明其发生了局部导通，其中两只芯片击穿。图5所示为击穿芯片的外观（以其中一片为代表，本批其它芯片的击穿情况均与其类似），击穿点明显集中于芯片边沿。分析认为，在集肤

9、效应的作用下，流过RSD芯片边沿的电流密度大于流过中间的，在本批芯片损耗较正常情况大的共同作用下，导致了芯片的边沿击穿。图4 RSD4070(4)-06-8开通电流电压波形图5 击穿点在边沿的芯片在短脉冲放电应用中，由于电流上升率很高，为减小RSD中的集肤效应，提高芯片面积利用率，应尽量使用小直径芯片，而通过多单元并联结构来满足电流容量的要求。结论本文在解释了集肤效应物理本质的基础上，讨论了短脉冲放电应用中集肤效应对RSD电流密度分布的影响，结果表明随着电流上升率的增加芯片中心和边沿电流密度的差距变大，电流趋向于集中在芯片边沿流过，此结论得到了初步的实验验证。由于集肤效应的存在，RSD在短脉冲

10、放电应用中应使用小直径芯片，提高面积利用率。参考文献:1 Grekhov I VNew principles of high power switching with semiconductor devicesJSolid-State Electronics，1989，32(11)：923-9302 Grekhov I VMega and gigawatts-ranges, repetitive mode semiconductor closing and opening switchesC11th IEEE International Pulsed Power Conference，1997：425-4293 冯慈璋，马西奎工程电磁场导论M北京：高等教育出版社，20004 余岳辉，梁 琳，李谋涛，等超高速半导体开关RSD的开通机理与大电流特性研究J电工技术学报，2005，20（2）：36-40(YU Yue-hui，LIANG Lin，LI Mou-tao，et alStudy on turn-on mechanism and high-current characteristics of high-speed semiconductor switch RSDJTransactions of China Electrotechnic