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1、2.3.3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：1 + 2 1 其导通不是立刻完成的； l 开通时间: 定义元件由“断态”到“通态”的时间为开通时间 ，用ton表示，则 ton= td + tr 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 晶闸管开通特性(续） 延迟时间td规定IG上升到 50%起到晶闸管
2、的阳极电流上 升到额定值的10%为止这一段 时间。 上升时间tr规定阳极电 流由10%上升到90%所需的时 间。 扩展时间ts阳极电流由 90%IA上升到额定值，元件由 局部导通扩展到全面积导通 。 晶闸管开通特性(续） l 临临界电电荷量：在短基区积区积 累的使元件导导通的少子电电 量。 当当超过这过这 一数值数值 后，只要再输输入一点电电流，阳极电阳极电 流就会会雪崩式的增长长直至开开通。 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 射极电流为Ie时，基区中积累的电子电荷是: 式中 ，p(0)为J3结p2侧的杂质浓度. 取Ie=IL (擎
3、住电流)，有: 式中， 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大 大缩短； 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 ton的影 响 随着电压增高，J2结空间 电荷区扩展使有效基区宽 度减小，因此存贮电荷下 降。 由 可知触发延迟时间缩短。 2.晶闸管的di/dt耐量 l 当晶闸管不论被何种方式引起 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 ，扩展速度为0.03-0.1mm/s 。 (1) 问题的提出 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 0.1mm/s 计，扩展1 s 的导通 面积约为1mm2,
4、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.晶闸管的di/dt耐量(续） di/dt耐量-在指定电压下，每个器件都有一允 许的di/dt额定值，即di/dt耐量。 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 传导出去，从而电流通道中的温度会迅速上升 ，造成硅pn结局部的迅速熔化。 l红外观测器件的导通扩展 2.晶闸管的di/dt耐量(续） 常见的di/dt失效 放电应用； 雷电浪涌； 短路电流； 中频或高频应用 2.晶闸管的di/dt耐量(续） 研究扩散速度的理论模式 等离子模式 横向电场模式 (2)扩展模型
5、2.晶闸管的di/dt耐量(续） 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 2.晶闸管的di/dt耐量(续） 横横向电场电场 模式: 认为认为 在这这一过过程中，由于大多数载数载 流子从门极传从门极传 输输到阴极边缘阴极边缘 ，所以建立起一个侧个侧 向电场电场 ，即可把 传导扩传导扩 散当当作侧侧向电场电场 引起的漂移过过程。 2.晶闸管的di/dt耐量(续）
6、l 侧向电场图象：晶闸管等效为两部分，用二极管和电容表示 pn结， R1、R2分别是p2基区和n1基区的横向电阻。 p 当在A K 间加400伏正向阻断电压由J2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2V，则 整个A K间电压变为2V； p 电压的这一变化引起第二个变化，J2结电容原充电至400V，此 时要通过R2、J2结导通部分、R1而放电。这样在p2区和n1区产 生了横向电场。 p p2区堆积的空穴和n1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J2结预先所加反偏压越大。 2.晶闸管的di/dt耐量(续） Matsuzawa由红外显象技术或微波反射技术测量
7、扩展 速度的试验 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.晶闸管的di/dt耐量(续） 防止di/dt破坏失效的两个方面： 应用方面： 强触发； 串电感以抑制电路的di/dt。 器件方面： 提高载流子扩展速度强触发； 增大初始导通边长。边长比12 (边长比:主晶闸管初始触发边长/放大门极初始触发边长) 2.晶闸管的di/dt耐量 提高di/dt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.晶闸管的di/dt耐量（续） 提高di/dt耐量的措施: 场引进结构 图中B处圆弧为一高阻槽，槽
8、 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 闸管迅速开通。 这一原理称为 FI原理 2.晶闸管的di/dt耐量（续） 提高di/dt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.晶闸管的di/dt耐量（续） l 提高di/dt耐量的措施: u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。 必须注意：防止T1开通之
9、 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.晶闸管的di/dt耐量（续） 采用放射状中心放大门极和 内外环放大门极结构来延长 初始导通边长。主晶闸管导 通边长与放大门极导通边长 之比大于12，放大门极与阴 极间槽电阻大于1。 通过控制控制主晶闸管初始 触发周边与放大门极初始触 发周边之比、放大门极至阴 极之间的等效横向电阻来调 整和改善di/dt特性； 2.晶闸管的di/dt耐量（续续） 渐开线结构 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1
10、000A/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.晶闸管的di/dt耐量(续） l di/dt容量的估算 2.晶闸管的di/dt耐量(续） 如果忽略热传导，单个脉冲引起的结温升为： 式中 为热功当量， ，代入上式计算得： 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.晶闸闸管 dv/dt 耐量 l 瞬变条变条 件下，阻断断晶闸闸管在转转折电压电压 下能够转变为够转变为 正向传导状态传导状态 ，晶闸闸管特性退化程度取决决于阳极电压阳极电压 的大小和它它增长长的速度。这这一现现象称称之为为上升
11、速率效 应应或dv/dt效应应。 l dv/dt定义义：在额额定结温结温 、门极断门极断 路和正向阻断条断条 件下，元件在单单位时间内时间内 所能允许许上升的正向电压电压 。 若电压电压 是直线线上升的，则则可表示为为： 3.晶闸闸管 dv/dt 耐量(续） l 当一个迅速上升的电压加到晶闸管上，随着J2结电压vj2 的变化，在J2结电容上产生位移电流ID ： u短路发射极原理： 其原理是基于横向电阻效应。当电流较小 时，通过J2结的电流直接从p2区经短路点流向阴 极欧姆接触。由于没有电流经J3结，所以J3结向 p2区注入的电子很少、a2很小； 当电流继续增大，电流在p2区横向流动就会在基区产
12、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J3结的正向电压V3增大。 3. 晶闸闸管 dv/dt 耐量(续） 提高 dv/dt 耐量的方法 减小结电容以减小位移电流 增加长基区宽度以减小 减小 降低发射极注入效率以减小小电流下的r1、r2 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 3. 晶闸管 dv/dt 耐量(续） 短路发发射极结构极结构 的半定量计计算 根据引起的位移电流在结造 成的压降应小于开放电压、 使这一条件，可以估算出一 确定器件的耐量。 3. 晶闸管 dv/dt 耐量(续） l 式中C0为J2结电容，S为J2结面积。K为短路系数 由上式可看出： （
13、1）要获得大的 ，则短路系数要小，因而D和d都 必须小，可见密而小的短路发射极对耐量的提高是有 利的。 （2）Rs为有效p基区的薄层电阻， Rs 过大会影响短路 效果，不利于dv/dt耐量的提高。 4.晶闸闸管关断关断 特性 l 关断过程就是积累的非平衡 载流子的消失过程，为了使 晶闸管在导通以后重新获得 正向阻断能力，非平衡载流 子的浓度必须下降到比临界 存储电荷小的程度，这一过 程需要一定的时间，称为关 断时间。 定义为电流过零到重加正向电 压过零这一段时间，用toff表 示。 普通晶闸闸管的关断时间约关断时间约 几百微秒 4.晶闸管关断 特性(续） n 关断瞬态的“反向电流、正向偏置”
14、可以用贮存电荷加以说明： 由于p2区的杂质浓度远高于n1区，J2结又为正 向结，故p2区空穴将向n1区注入，而n1区的电子却 不易向p2区注入，这样在长基区中尽管空穴可以 从J1结流走，但又得到了p2区注入空穴的补充，电 子又不易向p2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p2区的过剩电荷，储存时 间将大大缩短，关断速度可以加快。 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 小于IH，如果关断时“拖尾电流长，某一时段后仍有大 于IH的电流，则晶闸管关断失败。 减小关断时间的措施： 4.晶闸管关断 特性(续） toff与与其它参它参 量的关
15、关系 与结构参数 的关系 4.晶闸闸管关断关断 特性(续） toff与与其它参它参 量的关关系: 与外部运行参数的关系 随结温的增加而增加，主要是因为 随温度增加而 增加; 随反向电压的增加而减小; 随通态电流的增加而增加. 4.晶闸管关断 特性 基区区少子寿寿命控制技术术: 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 采用高能粒子轰击 采用磷或硼吸收的作用，控制器件中的金的浓度分布 采用电子辐照或射线辐照 4.晶闸闸管关断关断 特性(续） 基区少子寿命控制技术:采用磷或硼吸收的作用，控制器 件中的金的浓浓度分布 原理：J2 结附近基区内 的载流子寿命与 toff 密切
16、相关,而其它结区的寿命 对 toff 影响不大 此技术可大大改善 toff 与 通态电压的制约关系， 同时大幅减小反向漏电 流 4.晶闸闸管关断关断 特性(续） 基区少子寿命控制技术: toff与通态电压的关系 4.晶闸管关断 特性(续） 基区少子寿命控制技术:采用电子辐照或射线辐 照 与与硅衬衬底缺陷无关关，可实现实现 少子寿寿命的均匀匀控制 控制方法： 1、重金属扩散或电子线 缺点：使硅基体整体产生缺陷 2、高能质子或氦离子辐照 优点：可以控制晶格缺陷深度， 同一平面内少子寿命分布均匀，从而 使晶闸管通态电压与关断时间、反向 恢复电荷量之间获得最佳协调 (4)晶闸管关断特性（续） 基区少子寿命控制技术:辐照技术的优点： 辐照工作可以在器件制造完工并经测试 后在室温下进行 。 辐照处理可以采用累加辐照的方法，至调整到欲得到的 值为止。把器件加热到400以上可以把辐照损伤去掉， 使过剂量辐照器件复原。 寿命值可以用辐照剂量来控制，可以控制复合中心密度 ，因而使器件参数分布更加一致。 同杂质扩 散相比，辐照过程简单、清洁，可以避免任何 粘污。 本节要求掌握的内容： 1.晶闸管的动态参数 指的是哪几项?如何定义的. 2.掌握短路发射极原理、放大门极 原理，并会画 放大门极 原 理图。 3.如何提高器件的速度特性？ 4.如何协调 器件的断态 、通态和动态 特性？ END