晶閘管高溫轉(zhuǎn)折電壓下降原因分析

李宮懷　劉繼紅

晶閘管可靠工作溫度范圍在-45℃～125℃，晶閘管在低溫時(shí)電壓下降不明顯，但在高工作溫度時(shí)，很容易出現(xiàn)電壓擊穿的現(xiàn)象，本文針對(duì)晶閘管高溫使用時(shí)轉(zhuǎn)折電壓下降的情況，分析原因，提出在晶閘管的制造工藝上，要加強(qiáng)擴(kuò)散工藝的潔凈度、采用硼磷吸收的方法提高少子壽命和減小高溫漏電流，使結(jié)溫時(shí)轉(zhuǎn)折電壓呈現(xiàn)雪崩型硬擊穿特性，提高器件高溫時(shí)耐壓等級(jí)，可以使晶閘管在高溫時(shí)可靠的工作，提高晶閘管的質(zhì)量一致性等級(jí)，延長(zhǎng)晶閘管的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】晶閘管 高溫 轉(zhuǎn)折電壓 下降

1 引言

當(dāng)晶閘管通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生一定的功率損耗，器件本身的溫度就要升高。對(duì)于高電壓大電流的器件，由于芯片、硅片較厚，通過(guò)電流大，功率損耗也大。管芯中間部位的熱量不易散發(fā)，因此結(jié)的溫度升高。溫度升高引起硅的特性參數(shù)也發(fā)生變化。隨之，PN結(jié)和晶閘管的特性參數(shù)亦發(fā)生變化。比較明顯的是在高溫工作時(shí)晶閘管的轉(zhuǎn)折電壓出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

2 原因分析

當(dāng)靈敏觸發(fā)的方片晶閘管，在室溫下可以不用在門極與陰極之間并聯(lián)1kΩ電阻可以測(cè)出它的正向轉(zhuǎn)折電壓，雖然它的值明顯低于正向轉(zhuǎn)折電壓。可是在接近結(jié)溫時(shí)，如不并聯(lián)1kΩ電阻則正向轉(zhuǎn)折電壓幾乎為零。這個(gè)問(wèn)題集中反映了陰極面沒(méi)有短路點(diǎn)的器件，正向阻斷能力隨溫度升高而明顯變化。為了弄清問(wèn)題，首先在理論上進(jìn)行分析：

VBF的表達(dá)式：

VBF=VB（1-α1-α2）1/n

VBR=VB（1-α1）1/n

其中n在工作溫度范圍內(nèi)基本上不隨溫度變化而變化。所以，晶閘管正反向轉(zhuǎn)折電壓在高溫時(shí)變化主要取決于VB和放大系數(shù)α隨溫度變化的情況。

VB是晶閘管器件的J1結(jié)或J3結(jié)單獨(dú)存在時(shí)的雪崩擊穿電壓，一般來(lái)講，一次擴(kuò)散是對(duì)稱性擴(kuò)散，且共用一個(gè)長(zhǎng)基區(qū)，所以普遍情況下J1結(jié)和J2結(jié)的雪崩擊穿電壓VB相等。VB的大小取決于長(zhǎng)基區(qū)電阻率的高低，但是，由于工藝等方面原因，PN結(jié)的擊穿特性可以分成硬特性和軟特性兩類，它們隨著溫度的變化是不一樣的。

當(dāng)制造工藝比較正常，漏電流比較小。伏安特性在擊穿時(shí)有明顯的拐彎，這種情況稱為雪崩型硬擊穿特性。在這種情況下，隨著溫度的升高，晶體內(nèi)原子核振動(dòng)加速，導(dǎo)致載流子在其運(yùn)動(dòng)中的自由程變小，使其在電場(chǎng)下加速到雪崩電離能更為困難，即雪崩電離的電場(chǎng)強(qiáng)度提高，從而雪崩擊穿電壓提高，所以VB在150℃以內(nèi)隨著溫度的增加而升高。

由于VB的提高可以使晶閘管的正反向轉(zhuǎn)折電壓在高溫下有所提高，因此，保證J1和J2結(jié)具有雪崩型硬擊穿特性是很重要的。它可以使晶閘管獲得良好的高溫特性。

至于軟特性，即使在室溫下，由于漏電流的影響，擊穿電壓也比雪崩擊穿電壓低得多。隨著溫度的升高，漏電流迅速增加，擊穿電壓下降得厲害，所以軟特性本身的高溫特性就差。

軟特性與在高溫處理工序有害雜質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)有關(guān)，因而要防止軟特性的產(chǎn)生，就要加強(qiáng)擴(kuò)散前的清潔處理，加強(qiáng)擴(kuò)散系統(tǒng)本身的清潔度，注意用具和工藝的衛(wèi)生，減少硅片在空氣中暴露的時(shí)間，避免不合格的水和化學(xué)試劑的沾污，以避免有害雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片中去。如果可能的話，采用硼磷吸收的辦法，把金屬雜質(zhì)從體內(nèi)吸收出來(lái)。同時(shí)還要注意斜邊造型和保護(hù)，在方片的玻璃鈍化中，必須注意玻璃層不得污染，含電荷量合適。

3 高溫使用后晶閘管的測(cè)試方法

在實(shí)際使用過(guò)程中，用戶可以依據(jù)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品合格證來(lái)判定晶閘管的電壓、觸發(fā)等，也可以增加入廠檢驗(yàn)來(lái)判定產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)。在裝機(jī)使用后，尤其在高溫使用后，可以簡(jiǎn)單的使用萬(wàn)用表來(lái)判別晶閘管是否可以繼續(xù)正常使用，還是已經(jīng)在高溫時(shí)損壞，需要更換器件。

3.1 單向晶閘管的檢測(cè)

萬(wàn)用表選用電阻R×1檔，用紅黑兩表筆分別測(cè)任意兩引腳間正反向電阻，直至找出讀數(shù)為數(shù)十歐姆的一對(duì)引腳，此時(shí)黑筆接的引腳為控制極G，紅筆接的引腳為陰極K，另一空腳為陽(yáng)極A。此時(shí)將黑表筆接已判斷了的陽(yáng)極A，紅表筆仍接陰極K。此時(shí)萬(wàn)用表指針應(yīng)不動(dòng)。用短接線瞬間短接陽(yáng)極A和控制極G，此時(shí)萬(wàn)用表指針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)，阻值讀數(shù)為10歐姆左右。如陽(yáng)極A接黑表筆，陰極K接紅表筆時(shí)，萬(wàn)用表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明該單向晶閘管已擊穿損壞。

3.2 雙向晶閘管的檢測(cè)

用萬(wàn)用表電阻R×1檔，用紅黑兩表筆分別測(cè)任意兩引腳正反向電阻，結(jié)果其中兩組讀數(shù)為無(wú)窮大。若一組為數(shù)十歐姆時(shí)，該組紅黑表筆所接的兩引腳為第一陽(yáng)極A1和控制極G，另一空腳即為第二陽(yáng)極A2。確定A、G極后，再仔細(xì)測(cè)量A1、G極間正反向電阻，讀數(shù)相對(duì)較小的那次測(cè)量的黑表筆所接的引腳為第一陽(yáng)極A1，紅表筆所接引腳為控制極G。將黑表筆接已確定了的第二陽(yáng)極A2，紅表筆接第一陽(yáng)極A1，此時(shí)萬(wàn)用表指針應(yīng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻值為無(wú)窮大。再用短接線將A2、G極瞬間短接，給G極加上正向觸發(fā)電壓，A2、A1間阻值約為10歐姆左右。隨后斷開(kāi)A2、G極短接線，萬(wàn)用表讀數(shù)應(yīng)保持10歐姆左右。互換紅黑表筆接線，紅表筆接第二陽(yáng)極A2，黑表筆接第一陽(yáng)極A1。同樣萬(wàn)用表指針應(yīng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻值為無(wú)窮大。用短接線將A2、G極間再次瞬間短接，給G極加上負(fù)向的觸發(fā)電壓，A1、A2間阻值也是10歐姆左右。隨后斷開(kāi)A2、G極間短接線，萬(wàn)用表讀數(shù)應(yīng)不變，保持10歐姆左右。符合以上規(guī)律，說(shuō)明被測(cè)雙向晶閘管未損壞且三個(gè)引腳極性判斷正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)擴(kuò)散工藝前的清潔處理、加強(qiáng)擴(kuò)散系統(tǒng)的清潔度、減少硅片在空氣中暴露的時(shí)間、使用合格的水和化學(xué)試劑及使用硼磷吸收的方法，可以使PN結(jié)呈現(xiàn)雪崩型硬擊穿特性，可以有效解決晶閘管高溫轉(zhuǎn)折電壓下降的問(wèn)題，通過(guò)簡(jiǎn)單的萬(wàn)用表的操作，可以判定高溫使用后晶閘管是否被擊穿，可以調(diào)整散熱條件和線路，保證晶閘管器件能夠正常的工作。

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作者單位

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