基于TCAD的門極換流晶閘管的研究

蘇 陶， 劉玉欣， 何曉雄

（合肥工業(yè)大學 電 子科學與應用物理學院，安徽 合 肥 230009）

根據(jù)不同領域的實際需要，半導體器件以集成電路為代表的微電子器件和以電力電子器件為代表的功率半導體器件兩大類快速發(fā)展。電力電子器件的特點是大功率，均具有導通和阻斷2種工作特性。1955年，美國通用電氣公司發(fā)明了世界上第1個半導體整流器件硅整流器，1957年又發(fā)明出首個功率轉(zhuǎn)換和控制的可控硅整流器（SCR）。從20世紀60年代開始，由普通晶閘管相繼衍生出快速晶閘管等一系列晶閘管家族。但是普通晶閘管是半控型器件，不能控制其關斷，因此在控制功能上有缺陷；此外，普通晶閘管立足于分立元件結構，工作頻率難以提高。從70年代末開始，隨著門極可關斷晶閘管（GTO）日趨成熟，成功克服了普通晶閘管的缺陷，電力電子器件已進入到全控型器件時代。

門極換流晶閘管（GCT）是基于GTO開發(fā)的一種新型大功率半導體器件。與GTO和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）相比，它既具有GTO的高阻斷能力和低通態(tài)損耗，又具有IGBT的高頻特性。GCT具有損耗低、開關速度快、內(nèi)部機械部件少、成本低以及結構緊湊等優(yōu)點［1］。因此可以可靠地用于各種驅(qū)動控制、電力變流器以及電機車變電站和民用市場。GCT最早是由ABB公司提出的，已經(jīng)形成了系列產(chǎn)品。而國內(nèi)對GCT的研究尚處于研發(fā)階段。

GCT的設計十分復雜，需要同時考慮通態(tài)特性和阻斷特性的影響。本文利用ISE－TCAD軟件［2］模擬了透明陽極結構參數(shù)以及柵極數(shù)目對建立的GCT模型的通態(tài)特性的影響，并對其進行了分析。

1 結構與原理

非對稱型GCT是一個p＋nn－pn＋的5層結構的晶閘管［3］，如圖1所示。本文選取的模型是以n型材料為襯底，摻雜濃度為1×1014cm－3；p基區(qū)厚度為40μm，峰值摻雜濃度為1×1018cm－3；n＋陰極區(qū)厚度為20μm，峰值摻雜濃度為1×1020cm－3；n型緩沖區(qū)厚度為20μm，峰值摻雜濃度為1×1017cm－3；p＋透明陽極厚度為3μm，峰值摻雜濃度為1×1019cm－3。

當晶閘管的陽極A和陰極K之間加正向電壓而控制極不加電壓時，J2處于反向偏置，管子不導通，稱為阻斷狀態(tài)。

當晶閘管的陽極A與陰極K之間加入正向電壓且柵極G與陰極之間也加入正向電壓時，J3處于導通狀態(tài)。此時晶閘管處于觸發(fā)導通過程。晶閘管一旦導通，柵極就失去控制作用，管子依靠內(nèi)部的正反饋始終維持導通狀態(tài)［4］。

圖1 GCT結構圖

2 模擬與分析

根據(jù)圖1所示的GCT模型結構參數(shù)，分析透明陽極結構參數(shù)對GCT正向通態(tài)特性的影響，并進一步對其關斷特性進行了研究。引入透明陽極是為了降低陽極發(fā)射極的注入效率，加速器件關斷時剩余載流子的恢復，提高GCT的開關特性。而透明陽極的性質(zhì)與該層的雜質(zhì)總量有關，與雜質(zhì)分布是無關的［5］。所以，本文分析透明陽極結構參數(shù)時從雜質(zhì)總量控制入手。而雜質(zhì)總量取決于透明陽極雜質(zhì)濃度與厚度的乘積［6］。

在其他各層結構參數(shù)不變的情況下，透明陽極的厚度由3μm增大到15μm。此時GCT通態(tài)特性如圖2所示，同是陽極電壓為2.5V，厚度分別為3、9、15μm 時，陽極電流分別為59、202、345A。可以看出，隨著透明陽極厚度的提高，即雜質(zhì)總量增加，導致注入效率變大，n－基區(qū)的通態(tài)壓降變小。

透明陽極摻雜峰值濃度對通態(tài)特性的影響如圖3所示。

圖2 透明陽極厚度對通態(tài)特性的影響

圖3 透明陽極摻雜峰值濃度對通態(tài)特性的影響

圖3顯示在相同透明陽極厚度情況下，峰值摻雜濃度由1×1017cm－3增加到1×1019cm－3，同樣在2.5V的條件下，陽極電流依次為16、29、59A。由此得出雜質(zhì)總量增加，使得通態(tài)壓降變小。因此，透明陽極結構參數(shù)的優(yōu)化對改善GCT通態(tài)特性具有重要的意義［7－8］。

圖4所示為3柵極GCT的結構圖，相對于圖1的模型，此結構只是將n＋區(qū)分開，n＋區(qū)的有效寬度及其他參數(shù)均沒有改變，以達到只考慮柵極數(shù)目對通態(tài)特性影響的目的。

由圖5可以看出，柵極數(shù)目對通態(tài)特性的影響不明顯，在GCT具有2個柵極、陽極電壓為2.5V時陽極電流為59A。當GCT有3個柵極、陽極電壓為2.5V時陽極電流為40.7A。隨著柵極數(shù)目的增加，通態(tài)壓降是增加的。這說明柵極數(shù)目與透明陽極雜質(zhì)總量起著相反的作用，當雜質(zhì)總量增加時，通態(tài)壓降減小。所以在改善GCT通態(tài)特性的設計中，可以綜合考慮這2個方面的因素。

圖4 具有3柵極結構的GCT

圖5 柵極數(shù)目對通態(tài)特性的影響

3 結束語

本文在TCAD基礎上利用建立的GCT器件模型研究了透明陽極結構參數(shù)和柵極門數(shù)量對GCT通態(tài)特性的影響。模擬結果表明，透明陽極雜質(zhì)總量和柵極數(shù)目對GCT通態(tài)特性起著相互制約的作用，透明陽極雜質(zhì)總量是決定GCT通態(tài)壓降的關鍵因素。通過協(xié)調(diào)透明陽極的峰值摻雜濃度和厚度以及柵極的數(shù)目，可以改善GCT的通態(tài)特性。本文研究成果對GCT的設計與生產(chǎn)具有重要的參考價值。

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