脈沖功率晶閘管制造工藝的數值模擬研究

摘 要：本文對脈沖功率晶閘管制造工藝的數值模擬進行了研究。主要論述了設計大尺寸晶閘管的技術，說明了明確晶閘管各個參數的重要性，并對其制作工藝的數值進行模擬研究，以保證晶閘管的質量。

關鍵詞：脈沖功率晶閘管；數值；模擬

中圖分類號：F40 文獻標識碼：A

1 晶閘管的參數設計

晶閘管的設計也就是晶閘管各參數的計算問題，要知道怎樣設計一個晶閘管，就得先明確晶閘管的幾個重要參數以及設計的任務。對于一個晶閘管來說一般需要滿足以下幾方面的要求：正反向阻斷電壓、控制極特性、正向壓降、承受di/dt的能力、承受dv/dt的能力、過載能力、開關時間。在計算時應考慮到工藝上實現的可能性以及制造過程中的種種需要。在本次設計中我們主要設計一個大尺寸晶閘管，并為改善晶閘管的高溫特性和動態特性，在其陰極采用分布式陰極發射區短路點和陰極發射區周邊的短路環結構。

晶閘管的縱向結構基本是用擴散方式形成的，對原始的n型硅進行p型一次擴散，從而可以形成對稱的p-n-p結構，然后在對其單邊進行n型擴散，從而形成陰極發射區。這是一種用最簡單的晶閘管制造工藝來制造的p-n-p-n四層基本結構。但往往與理論同，還會增加一層節含高濃度載流子的P0區，形成p-p-n-p-n五層結構。

2 晶閘管的設計結果

在4000V耐壓，0.7V閥值電壓的要求下的設計結果：（1）通過設計，我們可取N1的厚度為660μm，P0為12μm， P1為28μm。因為選取對稱結構，故N2的厚度也取為12μm，取P2層厚度為（28+12）μm。（2）N1的雜質濃度為2*1013原子/立方厘米， P0發射區表面濃度層為4*1019原子/立方厘米。N2的雜質濃度為1*1020原子/立方厘米。其中將P2基區分為兩部分，摻雜深而低的部分可將濃度取為2*1016原子/立方厘米；摻雜淺而濃的部分可將濃度取為4*1017原子/立方厘米。因為我們所設計的晶閘管為對稱結構，故P1的濃度可以取為2*1016原子/立方厘米。（3）接下來主要設計分布式陰極發射區短路點及陰極發射區周邊的短路環。陰極發射區短路點是為旁路晶閘管兩發射結而設立的電阻性連接，陰極短路點的運用能以一種工藝的方法提高正向阻斷電壓和器件的dv/dt耐量。由于在此次設計中，我們將會在大尺寸晶閘管上設置短路點和短路環，并且選取了ds=250μm，Ds=1000μm。故有16個小陰極，且每個小陰極的寬度為750μm，取晶閘管的尺寸為直徑20mm。在大尺寸晶閘管上設置短路點和短路環，并由于晶閘管的尺寸為直徑20mm，故短路環的長度設為500μm。

3 大尺寸晶閘管建模仿真研究

明確大尺寸晶閘管具體的尺寸、參數及結構后，接下來要做的就是結合上述參數對功率晶閘管進行建模仿真，并對其進行相關的特性分析，主要研究其門極觸發特性及正向擊穿特性。

3.1 大尺寸晶閘管的建模

為了檢驗所設計的功率晶閘管是否滿足要求，就必須先建立此功率晶閘管的模型。然后對其性能進行參數仿真驗證。我們可以利用ISE TCAD中的MDRAW軟件對功率晶閘管進行建模，對大尺寸晶閘管的建模過程中，還需加入分布式陰極發射區短路點和陰極發射區周邊的短路環。

以參數為基礎，我們可以對大尺寸功率晶閘管進行建模，在設計大尺寸晶閘管時，在其陰極設置了分布式陰極發射區短路點和陰極發射區周邊的短路環，建立的大尺寸晶閘管模型。由于大尺寸晶閘管的尺寸遠大于其厚度，無法清晰觀察其模型，故將陰極發射區周邊的短路環及分布式陰極發射區短路點放大，以便觀察。

3.2 門極觸發特性研究分析

我們對器件陽極施加10V的正偏壓，對器件的門極電壓進行掃描，提取陽極電流的變化曲線，得到器件轉移特性曲線。當門極電壓小于 0.7V時，陽極電流很小，幾乎為零，此時器件處于截止狀態；當門極電壓大于0.7V時，陽極電流迅速成線性增長。故由仿真結果知，此晶閘管的閾值電壓為Vth=0.7V。由于門極電壓越高，越能防止晶閘管由于漏電流而誤導通，故其性能較好。

3.3 正向擊穿特性仿真研究

對其擊穿特性的仿真，也即對正向阻斷特性進行仿真，在做擊穿特性分析時，需在陽極接一個阻值較大的電阻。因為在脈沖功率晶閘管器件發生擊穿之前，電流很小，基本上為常數。此時，采用壓控掃描就能夠很好地工作。但是一旦正向擊穿之后，一個很小的陽極電壓變化都會導致陰極電流的顯著增大，此時，采用壓控掃描很難收斂。從擊穿前的壓控掃描轉到擊穿后的流控掃描是最有效的方法，因此需要在陽極接一個大小合適的電阻，阻值必須足夠大（取為10^9歐姆），保證擊穿后絕大部分電壓降落在電阻上。通過試驗獲得此大尺寸功率晶閘管擊穿電壓高達6000V，明顯高于設計時預測的耐壓4000V，證明其分布式陰極發射區短路點和陰極發射區周邊短路的環起到了十分明顯的作用。

結語

綜上所述，在本文中設計大尺寸晶閘管，對晶閘管參數進行了確定，通過各種參數進行功率晶閘管進行建模仿真，并對其門極觸發特性及正向擊穿特性進行研究，證明在設計大尺寸晶閘管中，門極觸發特性性能優良，分布式陰極發射區短路點和陰極發射區周邊短路的環起具備良好的效果。

參考文獻

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