功率半导体器件

2.3晶闸管的主要特性(第四讲)

2.3.1晶闸管的断态特性

2.3.2晶闸管的通态特性

2.3.3晶闸管的动态特性本节主要内容

2.3.1晶闸管的断态特性晶闸管阻断模式

(1)PN结的雪崩击穿、穿通效应

(2)晶闸管的阻断电压

(3)晶闸管的最小长基区宽度Wn(min)器件的结终端技术

(1)表面态与表面电场

(2)结终端技术2.3.2晶闸管的通态特性

(1)晶闸管的通态电压

(2)功耗2.3.1晶闸管的断态特性(续）（1）p+n结的击穿电压雪崩击穿电压：碰撞电离的强弱程度通常用电离率来表示，有如下经验公式：

式中a、b、n均为常数。

2.3.1.1晶闸管阻断模式

2.3.1晶闸管的断态特性对于硅的平均电离率可简化表示为：为常数。雪崩击穿条件：

为p+n单边突变结的空间电荷区宽度。

2.3.1晶闸管的断态特性(续）p+n结的电场分布：

将电离率代入雪崩击穿条件并作变量代换得：积分得到：

又偏压VA

下的空间电荷层宽度为:2.3.1晶闸管的断态特性(续）将Em、Xm的表达式代入x=0的E(x)表达式得:当击穿发生时，VA=VB，VB为雪崩电压，式中n为常数。这里取n=7，取

2.3.1晶闸管的断态特性(续）则上式可简化为:Nb

为硅的掺杂浓度当时，通常可取常数C≈100，常数与沿用传统的经验公式——“GE公式”完全相同。

当Wn≥Xm

时得到的是雪崩电压2.3.1晶闸管的断态特性(续）穿通电压：

当有效基区宽度随反向电压增加而趋近于零时，定义此时p+n结两端所承受的耐压为穿通电压，记为VPT。当Wn≤Xm

时得到的是穿通电压2.3.1晶闸管的断态特性(续）当本底浓度很高（重掺杂）如时，其雪崩电压与电阻率的关系如下图示。(2)晶闸管的阻断电压

晶闸管有两个以上的pn结，J1、J2

结的耐压与单个pn结有何不同？2.3.1晶闸管的断态特性(续）断态电压→J2结反向电压→J1结2.3.1晶闸管的断态特性(续）反向阻断电压：J2结有电流达到J1结，所以J1结的总电流为

计及雪崩倍增M，由电流连续性原理有，显然当时，J1结失去阻断能力。2.3.1晶闸管的断态特性(续）由：两边同乘n为密勒指数。可以看到：VBR＜VB

同样电阻率的材料作整流二极管，其雪崩电压为VB，而制成晶闸管，其反向阻断电压只有VBR。为pnp管的电流放大系数，它直接影响到VBR

。2.3.1晶闸管的断态特性(续）晶闸管的反向电压与二极管反向电压的比较。2.3.1晶闸管的断态特性(续）断态电压：

由J2结承担，同理有：同样可以看到：VBF＜

VBR＜VB

为使正、反向电压对称，需要a2≒0(3)晶闸管的最小长基区宽度Wn(min)2.3.1晶闸管的断态特性(续）传统的设计方法：设计电压指标确定电阻率确定片厚Xm投片后修改→→→←————————∣↑∣未计及a1

、a2

、扩散长度LP、短基区宽度等的影响！！！2.3.1晶闸管的断态特性(续）当时，采用优化设计方法。引入优化比值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晶闸管的断态特性(续）

思路：由Wne和xm可得到晶闸管长基区宽度Wn的表达式；对Wn(K)求极值；且有，有极小值存在；令并代入各常数得到下式：2.3.1晶闸管的断态特性(续）

解上述超越方程可得到α1，依次可求出K、VB、ρ、xm

及Wen

。所以长基区宽度为：

Wn

＝xm

＋Wen

假定一次扩散结深为xjp

，则硅片厚为:

δ＝Wn

＋2xjp

代入各常数得到：

(1－α1)2/3

＝4.1×103(1/LP)VB07/6α1(1＋α1)1/2

2.3.1晶闸管的断态特性(续）2.3.1.2器件的结终端技术(1)表面态与表面电场局部缺陷与“快表面态”带电杂质、感生电荷与场强

物理吸附和化学吸附表面最大电场强度随正表面态电荷的增加而增加，随负表面态密度的增加而减小

2.3.1晶闸管的断态特性(续）表面电荷对电场的影响:当pn结的低掺杂n区表面有外来正电荷时，表面空间电荷区减小；有负电荷存在时，则结表面空间电荷区增宽。E=V/WS

正斜角、负斜角及电场分布

2.3.1晶闸管的断态特性(续）面积由高浓度侧向低浓度侧方向减小的磨角称正斜角表面空间电荷区上向弯曲，低掺杂区的弯曲程度大于高掺杂区，表面空间电荷区变宽，表面电场强度下降；面积由低浓度侧向高浓度侧方向减小的磨角称负斜角最大电场强度随负角的增大而直线上升，并可以超过体内电场，最大电场强度的位置在高浓度侧，并逐步移向pn结。2.3.1晶闸管的断态特性(续）（1）最大电场强度值随倾斜角减小而单调下降。（2）既使是90度的斜角（不磨角），表面最大电场强度始终低于体内最大电场强度。（3）最大电场强度的位置随斜角减小而远离pn结。p+nn+结的“双角造型”降低了表面电场强度，减小了nn+区的电场集中。（2）结终端技术双正角和组合斜角造型

2.3.1晶闸管的断态特性(续）双正角造型

（a）“M槽”结构（b）“V型槽”结构（c）正负斜角造型（d）“台型”边缘造型

2.3.1晶闸管的断态特性(续）场环结构当主结的电场达到临界击穿值以前，让主结的耗尽层“穿通”到浮动电场环上。穿通之后的电压将主要由该浮动电场环分担2.3.1晶闸管的断态特性(续）

结的终端延伸技术控制表面的电荷来达到改善pn结击穿特性——局部注入p型杂质使在N区表面形成一个轻掺杂的p区延伸带

——用离子注入的方式在表面添加电荷，通过适当控制注入电荷的数量使击穿电压达到理想值

(1)晶闸管的通态电压1．体压降:Vm是Wn/LP的函数，当Wn

/LP≤1时，Vm在pin二极管的总压降中可以忽略不计。当Wn

/LP≥3时，Vm呈指数增加，远大于“短”结构时的压降。通常取Wn≤3LP。2.3.2晶闸管的通态特性简化表达：2.3.2晶闸管的通态特性(续）Wn/LP是体压降大小的主要标志。要减小体压降，唯一的方法提高少子寿命或缩短基区宽度。Vm与J无关。扩散长度随注入载流子浓度的增加而减小。在注入电平大于1017cm-3，载流子-载流子散射和俄歇复合起着减小La的作用。因而在低电流密度下的“短”结构，在高电流密度下要变为“长”结构。2.3.2晶闸管的通态特性(续）

2．结压降:p+in+结构的结压降Vj可由载流子浓度分布服从玻尔兹曼分布规律得到。

2.3.2晶闸管的通态特性(续）3．欧姆接触压降：正常情况下，大功率器件的欧姆接触压降是很小的。2.3.1晶闸管的通态特性(续）(2)晶闸管的功率损耗通态功率损耗PT

断态功率损耗PD

开通损耗Pon关断损耗Poff

门极损耗PG

工频下PT

是主要的.通态功率损耗PT的简易算法

2.3.1晶闸管的通态特性(续）

将元件瞬态正向伏安特性近似看成一直线，该直线与横轴交点为V0，斜率为1/R,则元件的瞬时通态电压可写为:

V0—通态伏安特性的起始电压；

iT—正弦半波电流瞬时值，2.3.1晶闸管的通态特性(续）当时,有计算上式得到:由瞬态VA曲线计算由半导体物理，

2.3.1晶闸管的通态特性(续）考虑到管芯和电极部分的欧姆接触电阻R，全部压降为由实际测得的导通电压曲线中适当选取三个点，以iT和vT代入上式可求出三个常数.

在