晶閘管動態(tài)特性(5)課件

2.3.3晶閘管的動態(tài)特性(第五講)2.3晶閘管的主要特性晶閘管動態(tài)特性(5)晶閘管的動態(tài)特性晶閘管在由開到關(guān)或由關(guān)到開的轉(zhuǎn)變過程中的狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)特性分為：晶閘管的開通特性晶閘管的dv/dt耐量晶閘管的di/dt耐量晶閘管的關(guān)斷特性晶閘管動態(tài)特性(5)1.晶閘管開通特性開通條件：α1+α2≥1

其導(dǎo)通不是立刻完成的；開通時間:

定義元件由“斷態(tài)”到“通態(tài)”的時間為開通時間，用ton表示，則ton=td+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管動態(tài)特性(5)晶閘管開通特性(續(xù)）延遲時間td——規(guī)定IG上升到50%起到晶閘管的陽極電流上升到額定值的10%為止這一段時間。上升時間tr——規(guī)定陽極電流由10%上升到90%所需的時間。擴(kuò)展時間ts——陽極電流由90%IA上升到額定值，元件由局部導(dǎo)通擴(kuò)展到全面積導(dǎo)通。晶閘管動態(tài)特性(5)晶閘管開通特性(續(xù)）

臨界電荷量：在短基區(qū)積累的使元件導(dǎo)通的少子電量。當(dāng)超過這一數(shù)值后，只要再輸入一點(diǎn)電流，陽極電流就會雪崩式的增長直至開通。開通過程的半定量分析晶閘管動態(tài)特性(5)晶閘管開通特性(續(xù)）由晶體管原理可以證明，當(dāng)基區(qū)雜質(zhì)為指數(shù)分布，發(fā)射極電流為Ie時，基區(qū)中積累的電子電荷是:式中，p(0)為J3結(jié)p2側(cè)的雜質(zhì)濃度.取Ie=IL

(擎住電流)，有:式中，晶閘管動態(tài)特性(5)晶閘管開通特性(續(xù)）強(qiáng)觸發(fā)對ton的影響：

強(qiáng)觸發(fā)會使延遲時間大大縮短；

影響開通過程的因素晶閘管動態(tài)特性(5)晶閘管開通特性(續(xù)）陽極電流、電壓及溫度對ton的影響隨著電壓增高，J2結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)展使有效基區(qū)寬度減小，因此存貯電荷下降。

由可知觸發(fā)延遲時間縮短。晶閘管動態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量當(dāng)晶閘管不論被何種方式引起以后，其導(dǎo)通不是立刻完成的。開通后等離子體有一個擴(kuò)展過程，擴(kuò)展速度為0.03-0.1mm/μs。

(1)問題的提出

以側(cè)門極結(jié)構(gòu)為例，若陰極內(nèi)側(cè)的半徑為3.5mm，擴(kuò)展速度以0.1mm/μs

計，擴(kuò)展1μs

的導(dǎo)通面積約為1mm2,假定電路的di/dt為100A/μs,則開通時的電流密度可達(dá)每cm2近萬安培。晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）di/dt耐量---在指定電壓下，每個器件都有一允許的di/dt額定值，即di/dt耐量。由于硅的比熱很小，熱容量不大，硅的熱傳導(dǎo)率也很小，因此電流通道中只有很少的熱被傳導(dǎo)出去，從而電流通道中的溫度會迅速上升，造成硅pn結(jié)局部的迅速熔化。紅外觀測器件的導(dǎo)通擴(kuò)展晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）常見的di/dt失效放電應(yīng)用；雷電浪涌；短路電流；中頻或高頻應(yīng)用晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）研究擴(kuò)散速度的理論模式等離子模式橫向電場模式(2)擴(kuò)展模型晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）等離子模式:將初始傳導(dǎo)看作大注入過程，即P2區(qū)包含相等密度的電子和空穴，基本上對外呈中性。就可以把等離子體的傳播當(dāng)作一個純擴(kuò)散過程來研究。當(dāng)時，v=0。當(dāng)稍大于時，v隨上升的電流密度大約按增加。當(dāng)時，有

:觸發(fā)區(qū)剩余載流子濃度

:臨界剩余載流子濃度晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）橫向電場模式:

認(rèn)為在這一過程中，由于大多數(shù)載流子從門極傳輸?shù)疥帢O邊緣，所以建立起一個側(cè)向電場，即可把傳導(dǎo)擴(kuò)散當(dāng)作側(cè)向電場引起的漂移過程。晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）側(cè)向電場圖象：晶閘管等效為兩部分，用二極管和電容表示pn結(jié)，R1、R2分別是p2基區(qū)和n1基區(qū)的橫向電阻。當(dāng)在AK間加400伏正向阻斷電壓由J2結(jié)承擔(dān)；

當(dāng)圖中所示局部一旦導(dǎo)通，導(dǎo)通區(qū)域的正向壓降若為2V，則整個AK間電壓變?yōu)?V；電壓的這一變化引起第二個變化，J2結(jié)電容原充電至400V，此時要通過R2、J2結(jié)導(dǎo)通部分、R1而放電。這樣在p2區(qū)和n1區(qū)產(chǎn)生了橫向電場。p2區(qū)堆積的空穴和n1區(qū)堆積的電子在該橫向電場的作用下都從左向右擴(kuò)展。隨著J2結(jié)預(yù)先所加反偏壓越大。晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）Matsuzawa由紅外顯象技術(shù)或微波反射技術(shù)測量擴(kuò)展速度的試驗(yàn)

結(jié)果表明：v

(J)1/n，式中J為電流密度、n=2～3；v

，為基區(qū)內(nèi)的平均少子壽命；v

。晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）防止di/dt破壞失效的兩個方面：

應(yīng)用方面：強(qiáng)觸發(fā)；串電感以抑制電路的di/dt。器件方面：提高載流子擴(kuò)展速度——強(qiáng)觸發(fā)；增大初始導(dǎo)通邊長。邊長比≥12(邊長比:主晶閘管初始觸發(fā)邊長/放大門極初始觸發(fā)邊長)晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量提高di/dt耐量的措施:增強(qiáng)觸發(fā)電流場引進(jìn)結(jié)構(gòu)再生門極結(jié)構(gòu)放大門極結(jié)構(gòu)漸開線結(jié)構(gòu)晶閘管動態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）提高di/dt耐量的措施:場引進(jìn)結(jié)構(gòu)圖中B處圓弧為一高阻槽，槽左側(cè)為一小晶閘管。晶閘管開通時，小晶閘管先開通，形成B(+)到D(-)的高電場，促使晶閘管迅速開通。這一原理稱為F－I原理晶閘管動態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）提高di/dt耐量的措施:再生門極結(jié)構(gòu)通過金屬接觸M1把門極附近在橫向場中形成的電壓分接到M2，M1和M2同時形成比陰極高的電壓，使附近的n2發(fā)射極強(qiáng)烈處于正向偏置，通過F－I原理產(chǎn)生越來越大的門極電流，促使晶閘管開通。晶閘管動態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）提高di/dt耐量的措施:放大門極原理：當(dāng)Rgo>Rg1時，輔助晶閘管T1先開通，形成C(+)D(-)強(qiáng)電場，開通晶閘管。必須注意：防止T1開通之前T2過早開通?？梢酝ㄟ^嚴(yán)格控制Rgo>Rg1,或使T1轉(zhuǎn)折電壓<T2的Vbf晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）采用放射狀中心放大門極和內(nèi)外環(huán)放大門極結(jié)構(gòu)來延長初始導(dǎo)通邊長。主晶閘管導(dǎo)通邊長與放大門極導(dǎo)通邊長之比大于12，放大門極與陰極間槽電阻大于1Ω。通過控制控制主晶閘管初始觸發(fā)周邊與放大門極初始觸發(fā)周邊之比、放大門極至陰極之間的等效橫向電阻來調(diào)整和改善di/dt特性；晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）漸開線結(jié)構(gòu)圖中的圓半徑為r0。漸開線ABC的極坐標(biāo)為：DEF的極坐標(biāo)為：例如有36個指條狀門極和陰極構(gòu)成的漸開線結(jié)構(gòu)，使晶閘管的耐量提高了25倍，達(dá)到1000A/us，但由于發(fā)射周長增加，Ig需增加10倍，故常采用放大門極開啟。晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）di/dt容量的估算晶閘管動態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）如果忽略熱傳導(dǎo)，單個脈沖引起的結(jié)溫升為：式中為熱功當(dāng)量，，代入上式計算得：式中c=0.162卡/克·℃——硅的比熱；

ρ=2.33g/cm3——硅的密度；n=2.06；

v——擴(kuò)展速度d——Si片厚度晶閘管動態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量

瞬變條件下，阻斷晶閘管在轉(zhuǎn)折電壓下能夠轉(zhuǎn)變?yōu)檎騻鲗?dǎo)狀態(tài)，晶閘管特性退化程度取決于陽極電壓的大小和它增長的速度。這一現(xiàn)象稱之為上升速率效應(yīng)或dv/dt效應(yīng)。

dv/dt定義：在額定結(jié)溫、門極斷路和正向阻斷條件下，元件在單位時間內(nèi)所能允許上升的正向電壓。若電壓是直線上升的，則可表示為：

晶閘管動態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）當(dāng)一個迅速上升的電壓加到晶閘管上，隨著J2結(jié)電壓vj2的變化，在J2結(jié)電容上產(chǎn)生位移電流ID

：短路發(fā)射極原理：其原理是基于橫向電阻效應(yīng)。當(dāng)電流較小時，通過J2結(jié)的電流直接從p2區(qū)經(jīng)短路點(diǎn)流向陰極歐姆接觸。由于沒有電流經(jīng)J3結(jié)，所以J3結(jié)向p2區(qū)注入的電子很少、a2很小；

當(dāng)電流繼續(xù)增大，電流在p2區(qū)橫向流動就會在基區(qū)產(chǎn)生一定的電壓降落，此電壓使遠(yuǎn)離短路點(diǎn)部分的電位提高，該部分J3結(jié)的正向電壓V3增大。晶閘管動態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）提高dv/dt耐量的方法減小結(jié)電容以減小位移電流增加長基區(qū)寬度以減小減小降低發(fā)射極注入效率以減小小電流下的r1、r2采用短路發(fā)射結(jié)構(gòu)以減小位移電路引起的正向轉(zhuǎn)折電壓下降晶閘管動態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)的半定量計算根據(jù)引起的位移電流在結(jié)造成的壓降應(yīng)小于開放電壓、使這一條件，可以估算出一確定器件的耐量。晶閘管動態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）式中C0為J2結(jié)電容，S為J2結(jié)面積。K為短路系數(shù)

由上式可看出：（1）要獲得大的，則短路系數(shù)要小，因而D和d都必須小，可見密而小的短路發(fā)射極對耐量的提高是有利的。（2）Rs為有效p基區(qū)的薄層電阻，Rs

過大會影響短路效果，不利于dv/dt耐量的提高。晶閘管動態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性關(guān)斷過程就是積累的非平衡載流子的消失過程，為了使晶閘管在導(dǎo)通以后重新獲得正向阻斷能力，非平衡載流子的濃度必須下降到比臨界存儲電荷小的程度，這一過程需要一定的時間，稱為關(guān)斷時間。定義為電流過零到重加正向電壓過零這一段時間，用toff表示。普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒晶閘管動態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）關(guān)斷瞬態(tài)的“反向電流、正向偏置”可以用貯存電荷加以說明：由于p2區(qū)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于n1區(qū)，J2結(jié)又為正向結(jié)，故p2區(qū)空穴將向n1區(qū)注入，而n1區(qū)的電子卻不易向p2區(qū)注入，這樣在長基區(qū)中盡管空穴可以從J1結(jié)流走，但又得到了p2區(qū)注入空穴的補(bǔ)充，電子又不易向p2區(qū)輸出，因此長基區(qū)的載流子消失很慢。加上一負(fù)的門極電流，抽走p2區(qū)的過剩電荷，儲存時間將大大縮短，關(guān)斷速度可以加快。晶閘管動態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）

前已述，晶閘管在電路中關(guān)斷的條件是回路電流要小于IH，如果關(guān)斷時“拖尾電流長，某一時段后仍有大于IH的電流，則晶閘管關(guān)斷失敗。減小關(guān)斷時間的措施：晶閘管動態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）toff與其它參量的關(guān)系與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系晶閘管動態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）toff與其它參量的關(guān)系:與外部運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系隨結(jié)溫的增加而增加，主要是因?yàn)殡S溫度增加而增加;隨反向電壓的增加而減小;隨通態(tài)電流的增加而增加.晶閘管動態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性基區(qū)少子壽命控制技術(shù):

少子壽命控制方法：把某種在硅的禁帶中顯示深能級的雜質(zhì)擴(kuò)散到硅中采用高能粒子轟擊采用磷或硼吸收的作用，控制器件中的金的濃度分布采用電子輻照或γ射線輻照晶閘管動態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）基區(qū)少子壽命控制技術(shù):采用磷或硼吸收的作用，控制器件中的金的濃度分布原理：J2結(jié)附近基區(qū)內(nèi)的載流子壽命與toff密切相關(guān),而其它結(jié)區(qū)的壽命對toff影響不大此技術(shù)可大大改善toff與通態(tài)電壓的制約關(guān)系，同時大幅減小反向漏電流晶閘管動態(tài)特性