脈沖工況晶閘管擴展速度的影響因素研究*

張 曉，張冠祥，魯軍勇，戴宇峰，武文軒

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室， 湖北 武漢 430033)

功率半導(dǎo)體器件具有耐壓高、通流大、功率大、應(yīng)用靈活、易于控制的特點，在電磁發(fā)射、脈沖強磁場、電力電子變換器等高壓脈沖功率領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-4]。在這些系統(tǒng)中，往往需要用到晶閘管的浪涌電流來減少器件并聯(lián)數(shù)量，滿足體積質(zhì)量小型化需要。相應(yīng)地，在這些系統(tǒng)中晶閘管開關(guān)在開通過程中需要承受的電流上升率di/dt比常規(guī)穩(wěn)態(tài)運行工況要高得多，晶閘管更易失效。主要原因在于，晶閘管剛剛開始導(dǎo)通時，如果電流上升率di/dt過大，而其從觸發(fā)區(qū)域向周圍的擴展速度過慢，則電流只能從很小的面積上流過，會引起局部溫度過高，甚至導(dǎo)致晶閘管失效。在對脈沖工況應(yīng)用損壞的器件解剖分析中，70%以上都是由于過大的di/dt導(dǎo)致器件損壞[5]。因而，保證脈沖工況晶閘管在橫向擴展過程中具有足夠快的擴展速度是脈沖應(yīng)用晶閘管設(shè)計和應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問題。

已有文獻主要采用探針測量或紅外觀測的方法，從試驗角度針對該問題開展了研究。Longini等[6]對晶閘管開通后的橫向擴展過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)撤掉門極觸發(fā)電流后，遠離門極的區(qū)域仍會逐漸導(dǎo)通，因此認(rèn)為這一現(xiàn)象與器件的已開通區(qū)域有關(guān)。Dodson等[7]、Matsuzawa[8]通過設(shè)計矩形條狀晶閘管來直接觀察器件內(nèi)部開通后的橫向擴展過程，發(fā)現(xiàn)門極觸發(fā)電流的大小和寬度不影響開通后的擴展速度，而負載電流、基區(qū)寬度等因素對擴展速度影響明顯，并通過實驗測量得到擴展速度與電流的n次冪成比例。Ruhl[9]、Song等[10]發(fā)現(xiàn)電流的橫向擴展與橫向電場有關(guān)，從橫向偏壓的角度提出了橫向偏置模型，并通過電探針、紅外探測技術(shù)等實驗方法觀察開通后的擴展過程，驗證了在一定的電流密度下橫向偏置模型的正確性。Bergman[11]通過在晶閘管的P基區(qū)加探針進行實驗，對陰極區(qū)域的擴展速度進行了觀察，發(fā)現(xiàn)擴展是在近似均勻的速度下進行的，并給出了擴展速度與上升時間(低陽極電壓下)的關(guān)系。文獻[12]研究了晶閘管閥開通暫態(tài)、關(guān)斷暫態(tài)中電壓電流的影響因素和時變機理；文獻[13]對串聯(lián)晶閘管開通過程進行了分析；文獻[14]研究了不同條件下晶閘管觸發(fā)開通特性，尋求改善其開通性能的方法。

綜上所述，現(xiàn)有的晶閘管擴展速度的研究都是針對方形脈沖或者直流下進行的，而對具有高電壓、大電流特點的脈沖工況來說，由于過大的電流上升率di/dt，晶閘管開通過程中存在觸發(fā)前沿擴展問題，可能會使晶閘管局部過熱而導(dǎo)致熱失效。在陰極觸點上刻蝕小的圓形溝槽或者設(shè)置觀察孔等試驗方法，對于目前生產(chǎn)的封裝好的大功率晶閘管來說，也是很難實現(xiàn)的。本文從晶閘管的內(nèi)部機理出發(fā)，建立器件-電路模型，仿真分析晶閘管的開通機理以及擴展速度的影響因素，研究基區(qū)載流子壽命、基區(qū)寬度、溫度和正向阻斷電壓等因素對脈沖工況晶閘管擴展速度的影響，對應(yīng)用于脈沖工況下晶閘管的設(shè)計和選型具有指導(dǎo)意義。

1 晶閘管的橫向擴展

晶閘管的開通時間可分為延遲時間(td)、上升時間(tr)和擴展時間(tsp)三部分[15]，如圖1(a)所示。最初是延遲時間，此時器件上的外加電壓基本沒有隨門極脈沖發(fā)生變化，電壓下降到10%時所需的時間稱為上升時間，從局部開通到完全開通所用的時間稱為擴展時間。

(a) 電壓、電流示意(a) Diagram of voltage and current curve

在對晶閘管的門極施加觸發(fā)電流后，j3結(jié)的少子注入電流增大，電子在強電場作用下會被抽出到N基區(qū)，并穿越N基區(qū)，引起空穴的再注入，此時器件的j1和j3結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，j2結(jié)仍處于反向偏置狀態(tài)。隨著載流子的不斷積累，j2結(jié)上靠近門極的陰極邊緣區(qū)域變?yōu)檎蚱?，此時器件局部開通，存在局部導(dǎo)通電流。當(dāng)局部導(dǎo)通電流足夠大時，已開通的區(qū)域會漸漸擴展，直至晶閘管完全開通，如圖1(b)所示。

其中，擴展時間由于等離子體擴展速度的局限性，通常在開通過程中的持續(xù)時間最長[16]，對晶閘管的耐di/dt、抗浪涌電流、開通損耗等性能影響較大[10]。例如，當(dāng)器件的開通區(qū)域較小時，過高的di/dt很可能會導(dǎo)致器件的局部溫度過高而發(fā)生熱擊穿，甚至引起損壞。

對于解釋晶閘管的等離子體擴展現(xiàn)象，主要有兩個不同的理論：一是基于載流子擴散模型，認(rèn)為擴散作用是主要的影響因素[17-18]；二是基于P基區(qū)的橫向電場提出的橫向偏置模型，認(rèn)為電場作用才是主要的影響因素[9，19]。無論是載流子擴散模型還是橫向電場偏置模型，對于晶閘管局部開通后的擴展速度影響因素，兩種理論是一致的。

其中，等離子體的擴展速度主要與晶閘管中已導(dǎo)通部分的局部電流密度、基區(qū)寬度、基區(qū)載流子壽命以及溫度有關(guān)[8，20]。N+發(fā)射區(qū)短路點的密度對擴展速度也會有影響，短路點會在局部位置上起作用，使P基區(qū)橫向電流在該處疏散，從而減慢等離子體的擴展速度。

2 晶閘管器件-電路模型

本文在Silvaco軟件的Atlas模塊中建立了晶閘管二維器件模型，如圖2所示，所選擇的物理模型包括遷移率模型、復(fù)合壽命模型、電離模型等[21]，具體如表1所示。由于晶閘管器件結(jié)構(gòu)為軸對稱的，因此在開通擴展過程中，向兩側(cè)的擴展情況是完全相同的，故后文在分析相關(guān)參數(shù)對擴展速度的影響時，將只針對向右側(cè)擴展的情況進行分析。

圖2 晶閘管器件模型的橫截面Fig.2 Cross section of thyristor device model

表1 晶閘管物理模型

圖2中的晶閘管模型為中心門極型，并包含短路發(fā)射點，A、K、G分別為晶閘管的陽極、陰極以及門極。N+發(fā)射區(qū)以及N基區(qū)均為N型摻雜，摻雜元素為硼；P+發(fā)射區(qū)和P基區(qū)為P型摻雜，摻雜元素為磷。

上述物理模型中涉及的變量及參數(shù)所代表的含義如表2所示，未在表中列出的參數(shù)均為實常數(shù)。

表2 物理模型參數(shù)及相關(guān)符號

為了模擬晶閘管在脈沖大電流下的開通過程，建立了器件串聯(lián)電阻、電感以及電容脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型，如圖3所示，對晶閘管模型進行器件-電路聯(lián)合仿真。

圖3 脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of pulse forming network

圖3中，V為充電裝置，Rcharge為限流電阻，S為充電開關(guān)，C為儲能元件電容器，SCR為開關(guān)元件晶閘管，L為調(diào)波電感，Ig為門極觸發(fā)電流，Rload為負載。當(dāng)給門極通入觸發(fā)電流Ig后，晶閘管開始導(dǎo)通，此時脈沖成形網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生一個快速上升的大電流脈沖，從而可以分析脈沖工況下載流子壽命、基區(qū)寬度等參數(shù)對晶閘管擴展速度的影響。

3 參數(shù)分析

對于N基區(qū)的寬度以及摻雜濃度等參數(shù)，由一些理論公式及經(jīng)驗參數(shù)所設(shè)計，見表3。關(guān)于P基區(qū)的參數(shù)，一次擴散表面濃度控制在8×1016～5×1017cm-3，二次擴散的結(jié)深約為15～25 μm，二次擴散濃度控制在2×1020～1×1021cm-3。

表3 晶閘管模型的建模公式

上述公式中涉及的變量及參數(shù)所代表的含義如表4所示。

表4 晶閘管參數(shù)及相關(guān)符號

為了簡化計算，定義在晶閘管導(dǎo)通區(qū)域的擴展是一個勻速擴展，擴展速度方程可表示為：

(1)

式中：v為晶閘管電流橫向擴展速度，單位為mm/s；Δl為在Δt時間內(nèi)擴展的距離，單位為mm；Δt為擴展時間，單位為s。

3.1 正向阻斷電壓

固定脈沖成型網(wǎng)絡(luò)中的元件參數(shù)不變，圖4為改變正向阻斷電壓對放電結(jié)果的影響情況，可看出正向阻斷電壓U從2 000 V增加至5 000 V時，放電電流峰值從19.62 kA增加到了49.21 kA。

圖4 不同電壓下的放電特性曲線Fig.4 Discharge characteristic curve under different voltage

晶閘管初始的開通位置為靠近門極的陰極區(qū)域，在0 ms時，向門極通入觸發(fā)電流，經(jīng)過短暫的延遲時間及上升時間后，約在x為60 000 μm處開始向右側(cè)擴展。圖5(a)為3 000 V正向阻斷電壓下，晶閘管在0.57 ms時的電流密度分布情況，可以看到此時擴展到了90 588 μm處。而在5 000 V正向阻斷電壓下，晶閘管在0.57 ms時擴展到了98 105 μm處，如圖5(b)所示。圖5(c)是對不同電壓下y=600 μm處的電流密度進行對比，可以看到隨著正向阻斷電壓的增加，晶閘管的擴展速度明顯加快。由擴展速度方程可得，U從3 000 V增加至5 000 V時，擴展速度v從53 663 mm/s增加到66 851 mm/s，增加了24.6%。

(a) U=3 000 V，t=0.57 ms時電流密度分布(a) Distribution of current density at U=3 000 V, t=0.57 ms

經(jīng)分析，擴展速度加快的主要原因為：放電電流的增大會導(dǎo)致晶閘管擴展過程中局部電流密度的增加，而擴展速度會隨著局部電流密度的增大而提高，因此擴展速度會隨著電壓的升高而加快。

3.2 基區(qū)載流子壽命

圖6(a)是基區(qū)載流子壽命為1 μs時，晶閘管在0.57 ms時的電流密度分布情況，可以看到此時擴展到了90 458 μm處。圖6(b)是基區(qū)載流子壽命為10 μs時，晶閘管在0.57 ms時的電流密度分布情況，可以看到此時擴展到了107 800 μm處。由擴展速度方程可得，壽命從1 μs增加至10 μs，v從53 435 mm/s增加到83 860 mm/s，增加了56.9%。圖6(c)為y=600 μm時不同載流子壽命下的電流密度對比圖，可看到隨著載流子壽命的增加，晶閘管的擴展速度會顯著提高。

(a) τp=τn=1 μs，t=0.57 ms時的電流密度分布(a) Distribution of current density at τp=τn=1 μs，t=0.57 ms

擴展速度隨載流子壽命的增加而加快的原因是：基區(qū)載流子壽命的增加會增大電流放大系數(shù)，而隨著電流放大系數(shù)的增大，晶閘管局部開通的時間會縮短，擴展速度就會變快。式(2)～(5)分別是注入比γ、輸運系數(shù)β、電流放大系數(shù)α以及有效基區(qū)寬度We(N1)的表達式，即：

α=βγ

(2)

(3)

(4)

We(N1)=Wn(N1)-Xm(N1)

(5)

式中：Dn為電子的擴散系數(shù)，單位為cm2/s；Ln為電子的擴散長度，單位為cm；nn0、pp0分別為熱平衡下n型半導(dǎo)體的電子濃度和p型半導(dǎo)體的空穴濃度，單位為個/cm3。

聯(lián)立式(2)～(5)可得，當(dāng)固定空穴和電子的擴散系數(shù)Dp和Dn不變，且有效基區(qū)寬度We(N1)小于擴散長度Lp時，基區(qū)載流子的壽命τp和τn越長，Lp和Ln越長，注入比γ和輸運系數(shù)β就越大，因此電流放大系數(shù)α也越大，從而擴展速度也就越快。

3.3 基區(qū)寬度

在其他參數(shù)一致的情況下，基區(qū)寬度的變化對擴展速度的影響，如圖7所示。從圖7中可以看到基區(qū)寬度的增加會使擴展速度下降，其中基區(qū)寬度為500 μm的擴展到了92 484 μm，而基區(qū)寬度為900 μm的只擴展到了82 191 μm。由擴展速度方程可得，基區(qū)寬度從500 μm增加至900 μm，v從56 989 mm/s減少到38 932 mm/s，減少了31.7%。

(a) W=500 μm，t=0.57 ms時的電流密度分布(a) Distribution of current density at W=500 μm,t=0.57 ms

晶閘管的開通，主要是依靠向門極注入觸發(fā)電流實現(xiàn)的。在門極通入觸發(fā)電流后，電子首先在門極擴散，穿越空間電荷區(qū)，在強電場的作用下，被抽出到N區(qū)，會引起空穴的再注入，載流子在晶閘管整個管芯中貫通，直至完全開通[22]。N基區(qū)寬度Wn(N1)越寬，則載流子需要穿越的距離也會增加，晶閘管的擴展速度也就越慢。

由式(2)～(5)也可得到，當(dāng)器件的其他參數(shù)不變，基區(qū)寬度減少時，有效基區(qū)寬度會變窄，電流放大系數(shù)會增大，從而晶閘管開通后的擴展速度也會增加。

3.4 溫度

溫度的變化對擴展速度的影響如圖8所示，在觸發(fā)后的0.57 ms，溫度為300 K時擴展到了107 800 μm，而溫度為330 K時擴展到了107 950 μm，隨著溫度的升高，擴展速度增加得很少。由擴展速度方程可得，溫度從300 K增加至330 K，v從83 860 mm/s增加到84 123 mm/s，僅增加了0.3%。

(a) T=300 K，t=0.57 ms時的電流密度分布(a)Distribution of current density at T=300 K, t=0.57 ms

溫度的升高會提高晶閘管的擴展速度，但是增加得很少，主要是因為隨著溫度T的升高，載流子的擴散系數(shù)會由于晶格熱運動的加劇而下降，同時載流子的壽命隨著T的升高有所增加，從而使得載流子的擴散長度仍是有所增加的。由式(2)～(5)可得，當(dāng)其他參數(shù)不變，載流子的擴散長度增加時，電流放大系數(shù)也會增加，晶閘管開通后的擴展速度也會增大。

4 結(jié)論

本文首先對晶閘管開通過程進行分析，認(rèn)為在晶閘管開通過程中，擴展速度對其性能有著重要的影響。其次分析了正向阻斷電壓、基區(qū)載流子壽命、基區(qū)寬度、溫度對擴展速度的影響。最后建立了晶閘管器件和脈沖成形網(wǎng)絡(luò)等效電路模型，并進行了器件-電路的聯(lián)合仿真。

分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：正向阻斷電壓的增加會影響器件的局部電流密度，從而使擴展速度加快，電壓從3 000 V提高至5 000 V時，擴展速度會增加24.6%；基區(qū)寬度的減少會大大降低載流子穿越基區(qū)的時間，也會使擴展速度加快，結(jié)果顯示基區(qū)寬度從500 μm增加至900 μm時，擴展速度會減少31.7%；基區(qū)載流子壽命的增加、溫度的升高都會使擴展速度加快，其中載流子壽命從1 μs增加至10 μs時，擴展速度增加了56.9%，而溫度從300 K增加至330 K時，擴展速度僅增加了0.3%，可以看到溫度對擴展速度的影響較小。擴展速度的提高雖然會提高晶閘管的di/dt能力，但是并不是越快越好，它和其他許多參數(shù)都是矛盾的，如基區(qū)寬度的減少會降低器件的耐壓能力，正向阻斷電壓的增加也會要求器件具有更高的耐壓和通流能力。因此，要根據(jù)提出的指標(biāo)，選擇合適的參數(shù)以達到所需的擴展能力，之后設(shè)計出滿足實際需求的器件。