晶閘管高溫特性分析

劉思江 張天明 王旭梅

摘? 要：晶閘管可靠工作溫度在-45℃～125℃，但是這個溫度并不是晶閘管的極限運行溫度，晶閘管在低溫狀態下電壓下降不明顯，但是當工作溫度較高時易發生電壓擊穿現象，本文就分析了晶閘管在高溫運行下轉折電壓下降的情況，并提出在晶閘管制造工藝方面要強加擴散工業的清潔度和減少放大系數的辦法等措施，以提高器件高溫時候的耐壓性，延長晶閘管的使用壽命。

關鍵詞：晶閘管;高溫;特性變化;原因;結溫

晶閘管在通過電流時，電流會產生一定的功率消耗，器件自身溫度就會升高，特別時對于高壓器件，本身芯片和硅片教厚在產生高溫后不易散發導致結溫升高，隨之而來的就是引起硅的特性的變化和晶閘管特性的變化，轉折電壓也會出現下降的現象。

一、轉折電壓下降的分析

室溫狀態下，靈敏觸發的方片晶閘管可以不用在門極和陰極之間并聯1[kΩ]電阻就可以測量出正向轉折電壓，固然這個電壓低于正向轉折電壓，但是在接近結溫時，我們不并聯1[ kΩ]電阻則測量的正向轉向電壓為0，這個現象說明了陰極面沒有短路點的器件，正向阻斷能力會隨著溫度的升高而發生變化。這個變化可以用以下表達式表示：[VBF=VB（1-a1-a2）1/n]，[VBF=VB（1-a1）1/n]。在這里n在工作溫度范圍內基本不會隨著溫度而變化，因此晶閘管的正反向轉折電壓在高溫變化和[VB]與系數[a]變化相關。

[VB]是晶閘管器件的[J1]結或者[J3]結單獨存在時的雪崩擊穿電壓，一般來說當一次擴散時對稱性擴散且共用一個長基區，因此在通常情況下[J1]結和[J2]結的雪崩擊穿電壓[VB]時相同的，[VB]的大小和長基區電阻率相關，但是由于在工藝方面，PN結的擊穿特性分為了硬特性和軟特性，兩種特性在溫度變化下反應是不同的。

在制造工藝較高時，漏電比較小，伏安特性在擊穿時有明顯的拐彎，這種情況我們稱之為雪崩型硬擊穿特性，在隨著溫度的升高，晶體內原子核震動加速，致使載流子在運動中的自由程變小，在電場下加速到雪崩電離幾率更小，當雪崩電離的電場強度升高，擊穿電壓也隨著提高，因此在[VB]150℃內隨著溫度的升高而升高。軟特性指的是在室溫狀態下，在漏電流的影響下，擊穿電壓比雪崩電壓要低很多，但是隨著溫度的升高漏電流也增加，這個時候擊穿電壓下降厲害，因此軟特性指的是晶閘管本身高溫特性就不高的情況。軟特性與晶閘管在高溫處理時有雜質進入體內有關，所以在去除軟特性就需要在加工時做好擴散前的清潔處理，加強擴散系統本身的清潔，對用具和工藝的清潔度要求提高，盡量減少硅片在空氣中暴露的時間，避免加工化學試劑沾染，如果條件允許可以用硼或者磷把金屬中的雜質從體內吸收做到清潔，在加工過程中還需要注意斜邊造型和保護，在方片玻璃鈍化中還要注意玻璃片的清潔，玻璃層含電荷量要適中。

二、減小放大系數隨溫度變化分析

[a1]與[a2]都是溫度和漏電流的函數，我們可以從公式[a1=a1[T，IcoT]]和[a2=a2[T，IcoT]]中獲取[Ico]是反向漏電流。假如具有雪崩型硬擊穿特性的元件，在不考慮[UB]對溫度T的依賴性，我們可以得出[UBO=UB[1-（a1+a2）]1/h]，然后對溫度T進行微分得知：在溫度升高的情況下[a1]與[a2]將導致[UBO]下降，[a2]的影響力度更大，這是因為[a2]本社設計時本身就比較大的緣故。

發射區電阻率和基區的寬度也會對電流放大系統產生影響，隨著[a]電阻率、基區寬度的增加而增加。[a]屬于結反向漏電流[Ico]的函數，[Ico]又是溫度T的函數，所以我們可以得知[Ico]和溫度的變化相關，隨著溫度的升高[Ico]也會增加。[Ico]可以分為擴散漏電流[Is]、勢壘區產生的漏電流[IG]與表面漏電流[IK]。[Is]隨著基區寬度的增加和材料電阻率的降低而減小，當參數允許時，可以增加基區寬度和降低電阻率來降低擴散電流[Is]。表面電流是一個不定的量，其影響因素與表明造型、清洗程度、保護層有關。如果在材料表面有雜質就會導致高溫下漏電流的增加，但是室溫時不會產生較大的影響。

三、總結

要提高晶閘管元件的高溫特性有以下幾個方面的措施，首先要使得元件的電壓轉折為雪崩型的硬特性，過程是減小漏電流，讓長基區的寬度進行適當的調整以減少[a]值。其次在電壓允許時，選取低電阻率的材料，另外還可以減少漏電流，提高基區少子壽命，以減小漏電流隨溫度的增加而增加。再次可以調整[P2]區的擴散濃度，在短基區一定的情況下寬度有效放大，使得電壓轉折時[a2]變低。最后采用短路發射極，放置放大系數隨著漏電流的增加使得元件轉折電壓降低，在結構上增加陰極短路環和增加陰極短路點的密度，以短路掉體內及斜邊漏電流。

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