Bi-mode逆導門極換流晶閘管結構與特性研究

譚　巍，李建清*(1．電子科技大學物理電子學院，成都610054; 2．電子科技大學物理電子學院，成都610054)

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Bi-mode逆導門極換流晶閘管結構與特性研究

譚巍1，2，李建清1，2*
(1．電子科技大學物理電子學院，成都610054; 2．電子科技大學物理電子學院，成都610054)

摘要:Bi-mode逆導門極換流晶閘管(BGCT)是為了改善傳統逆導門極換流晶閘管(RC-GCT)電流均勻性和提高硅片有效面積利用率而提出的一種新結構。通過分析BGCT器件的版圖布局結構，采用Sentaurus TCAD軟件模擬并分析了BGCT、傳統結構RC-GCT和IGCT傳統功率器件的通態特性、正向阻斷特性和關斷特性，著重比較了RC-GCT與BGCT在400K溫度下不同工作模式下特性差異。分析研究結果表明，BGCT器件能夠改善RC-GCT器件的通態特性，提高硅片面積的利用率。

關鍵詞:門極換流晶閘管;逆導; Bi-mode; BGCT;版圖布局

IGCT是很多高功率下的首選器件，被廣泛應用于電壓驅動控制方面，如機車、艦船、風扇等。在大多數電壓驅動控制中IGCT都需要反并聯一個續流二極管，形成類似RC-GCT器件，保證器件能夠工作在安全區。在單個RC-GCT器件中二極管與GCT被集成在同一塊硅片上，但是兩者之間是互相隔離的，從RC-GCT的版圖布局中可以很清楚的看到這一特點，如圖1所示。資料研究表明:版圖布局中二極管與其他器件集成在一起可望提高整個裝置的可靠性與電流能力。為了提高RC-GCT器件的電流處理能力，ABB公司首先提出了雙模逆導晶閘管BGCT［4］(Bi-Mode Reverse Conducting Gate Commutated Thyristor)，該器件可以工作在兩種模式下即GCT模式與Diode模式。本文對雙模逆導晶閘管BGCT器件的特性進行了模擬分析，證明了BGCT是一種較好的改良器件，可望在實際應用中替代傳統RC-GCT器件。

圖1　91 mm 4．5 kV的RC-GCT

1　BGCT結構與特性模擬

1．1 BGCT的概念

BGCT器件是將二極管與GCT部分集成一起，如圖2(a)所示。將二極管的陽極(圖中亮條)與GCT陰極(圖中暗指條)穿插交織形成叉指狀，形成多個二極管與GCT的反并聯結構。

圖2　BGCT器件版圖與器件單元結構

器件結構單元如圖2(b)所示，這樣設計的目的是為了提高硅片面積的利用率。當處于GCT模式下導通時，由于載流子的橫向擴散使得二極管區域也將會得到利用;當處于Diode模式下導通時，GCT區域也將會得到利用。圖中箭頭所指區域就是在GCT模式導通下二極管利用區域。可以預見BGCT將會保持RC-GCT的優點而且在某些方面也將優于RC-GCT。

1．2 BGCT器件結構特性模擬

文中采用典型的IGCT器件摻雜濃度進行模擬，如圖3所示。將BGCT器件與傳統的IGCT和RC-GCT器件進行對比，分析了在400K下3種器件的通態特性、阻斷特性和開關特性。利用TCAD模擬軟件模擬時，需要考慮到載流子散射、禁帶窄化、遷移率、少子壽命與載流子濃度關系、俄歇復合以及遷移率與電場之間的關系等諸多物理效應的影響。

圖3　器件摻雜濃度分布曲線

圖4　正向導通下器件通態特性

1．3通態特性

3種器件處于導通下的特性如圖4(a)所示，圖中橫坐標表示通態電壓，縱坐標為電流密度大小。從圖上看出，在同一電流密度下，BGCT器件的通態壓降都小于RC-GCT;在同一通態電壓下BGCT器件的電流密度都大于RC-GCT器件。在GCT模式導通下，獲得BGCT器件中電子濃度分布如圖4(b)所示。在圖中整個器件都充滿了電子－空穴的濃度，在二極管區域也有電子－空穴濃度。由此可以知道，BGCT器件在GCT模式導通下能夠利用二極管區域提高導通狀態下硅片面積的利用率。

1．4正向阻斷特性

將BGCT器件與RC-GCT器件在正向阻斷模式下進行了比較，模擬仿真的結果如圖5所示。

由圖5(a)可以知道，BGCT的正向阻斷特性與RC-GCT器件相似，兩者的漏電流密度很接近;當正向電壓小于4000 V的時候，BGCT器件漏電流密度略小于RC-GCT器件，當電壓高于4000 V的時候，BGCT器件的漏電流密度迅速增加。圖5(b)表示了BGCT器件漏電流密度增加的原因主要是空穴電流的增加所引起，對其理論的認識暫時還不是很清楚。

圖5　BGCT與RC-GCT器件阻斷特性

1．5關斷特性

圖6給出了3種器件在400K下的關斷模擬結果。采用同樣的測試電路，少子壽命控制也一樣。從圖上可以看出GCT與RC-GCT兩者器件關斷時間基本一致，BGCT器件的關斷時間最長。

圖6　3種器件在400K下關斷特性對比

1．6 Diode模式下的特性

這部分模擬分析了BGCT與RC-GCT器件在Diode模式下的通態特性與恢復特性。器件的模擬仿真都是在400K下進行的。圖7(a)給出了兩個器件工作時電流密度差異，在Diode模式下，BGCT與RCGCT兩者的區別與GCT模式下剛好相反。圖7(b)顯示了處于Diode模式下，BGCT器件內部空穴濃度分布。此時，GCT區域也充滿了空穴，可知Diode模式下GCT部分也能夠被利用。圖7(c)中，BGCT相比較RC-GCT表現出了軟恢復特性。出現這樣的原因認為是器件背面的陽極形成短路發射極導致了場電荷抽取FCE(The Field Charge Extraction)效應。

圖7　Diode模式下器件特性分析

2　總結

BGCT器件是一種針對RC-GCT改進的器件。由前面的特性分析可以知道，不論是在GCT模式下導通還是在Diode模式下導通，BGCT都能夠充分利用整個有效硅片的面積。因此可以得到BGCT的一個最大優點就是能夠減少器件的熱阻。因為導通狀態下它能夠利用整個硅片的有效面積;同時BGCT器件能夠提高通態電流處理能力。可見BGCT器件是一種較好的改良器件，可望在傳統功率器件如IGCT、RC-GCT的領域發揮更大的作用。

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譚　巍(1990－)，男，漢族，重慶市萬州區，現為電子科技大學物理電子學院碩士研究生，主要從事半導體器件TCAD方向的研究，627717637@ qq．com;

李建清(1975－)，男，漢族，博士學位，現為電子科技大學物理電子學院教授、博士生導師。主要從事半導體器件TCAD方面的研究，以及微波電子學、微波管CAD技術的基礎研究，627717637@ qq．com。

Design of Lower Intermodulation Combiner Based on Coaxial Cavity*

PAN Ning，YE Qiang*，KONG Bo
(College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Abstract:To meet the requirements of communication system for lower intermodulation，the contribution to passive intermodulation is analyzed and a dual-frequency(CDMA800 and GSM900) combiner by using coaxial cavity designed．The coaxial cavity structure is presented using a method of circuit optimization simulation and full wave optimization simulation by simulation software Ansoft Designer and Ansoft Hfss．It is found that the measured result is consistent with the design after the combiner is manufactured and measured．So it has the very good application value and prospect among the similar products．

Key words:combiner; lower passive intermodulation; simulation; optimization; coaxial cavity

doi:EEACC: 131010．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．003

收稿日期:2014－05－06修改日期: 2014－05－27

中圖分類號:TN3

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 02－0236－04