功率半导体器件(4).ppt

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l 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) l 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 Ø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）Ø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）Ø反向阻断电压：J2结有电流达到J1结，所以J1 1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：uVBR＜ 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VBRu 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）l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）Ø断态电压：由J2 结承担，同理有：同样可以看到：uVBF＜ VBR＜ VB u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 KK＝＝(1(1－－α α1 1 ) )1/n1/nV VB B＝＝V VB0B0 /K/Kρ ρ＝＝(V(VB B/100) /100)1/0.75 1/0.75 X Xmm ＝＝A(ρVA(ρVB0B0) )1/21/2WWnene ＝＝L LP Pcosh cosh-1-1 (1/α(1/α1 1 ) )2.3.1晶闸管的断态特性(续）思路：思路： ØØ由由WneWne和和x xmm可得到晶闸管长基区宽度可得到晶闸管长基区宽度WnWn的表达式；的表达式； ØØ对对WnWn( (K K) )求极值求极值 ；且有 ，有，有 极小值存在极小值存在 ； Ø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解上述超越方程可得到α α1 1 ，，依次可求出依次可求出KK、、V VB B、、 ρ ρ、、 x xmm 及及WenWen 。

所以长基区宽度为：所以长基区宽度为：WnWn ＝＝ x xmm ＋＋WenWen 假定一次扩散结深为假定一次扩散结深为 ，则硅片厚为，则硅片厚为: :δ δ＝＝WnWn ＋＋22 代入各常数得到：代入各常数得到：(1(1－－α α1 1 ) )2/32/3 ＝＝4.1×104.1×103 3(1/L (1/LP P)V )VB0B0 7/67/6 αα1 1(1 (1＋＋α α1 1 ) )1/21/2 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 l局部缺陷与“快表面态”l带电杂质、感生电荷与 场强 l物理吸附和化学吸附 u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）u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/WSØ 正斜角、负斜角及电场分布 2.3.1晶闸管的断态特性(续）l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； l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Ø 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）Ø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）Ø结的终端延伸技术l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 l——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: ØVm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≤3LP2.3.2晶闸管的通态特性简化表达：2.3.2晶闸管的通态特性(续）Ø 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Ø Vm与J无关Ø 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l通态功率损耗PT l断态功率损耗PD l开通损耗Ponl关断损耗Poff l门极损耗PG 工频下PT 是主要的.Ø 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:Ø 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 周期内通态正弦半波时的平均功率损耗为要求掌握的内容1.雪崩电压与穿通效应; 2.晶闸管的耐压与单个pn结有何不同？主要决定于哪些量？ 3.结终端的表面电场强度及相关技术; 4.通态电压的构成及如何减小通态电压; 5.器件损耗的计算作业题： 制作一电压为2KV的二极管，试计算应选用 电阻率为多少的硅单晶材料？如果用电 阻率100Ώ.cm的材料来作这种二极管(p+n 结),问其基区宽度至少应为多少?谢谢！。