晶閘管的擎住電流與維持電流

譚 巍, 李建清（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院,四川成都 610054）

晶閘管的擎住電流與維持電流

譚 巍, 李建清
（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院,四川成都 610054）

晶閘管的擎住電流和維持電流對(duì)于晶閘管的工作有重要的影響.利用晶閘管的導(dǎo)通特性,從載流子的角度推導(dǎo)出擎住電流的計(jì)算公式；通過(guò)對(duì)NPN晶體管電流增益的分析,得到維持電流的表達(dá)式.將計(jì)算結(jié)果與Sentaurus TCAD軟件仿真結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者符合較好,驗(yàn)證了計(jì)算公式的正確性.

晶閘管；擎住電流；維持電流；電流增益

0 前言

晶閘管在電力電子器件領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位,被廣泛應(yīng)用于低開關(guān)頻率領(lǐng)域和高電壓、大電流的大功率范圍[1].晶閘管同時(shí)具有正向和反向的電壓阻斷能力,典型的晶閘管結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示,圖1（b）給出了晶閘管典型的正向i-v特性曲線以及相關(guān)參數(shù).在晶閘管正向i-v特性曲線中,擎住電流IL和維持電流IH是兩個(gè)重要的參數(shù),它們對(duì)晶閘管的開通和關(guān)斷均有影響[2－3].擎住電流IL表征了晶閘管開通的難易程度,IL越大晶閘管就越不容易導(dǎo)通且開通損耗越大；維持電流IH表征了晶閘管關(guān)斷過(guò)程的難易程度,IH越大晶閘管關(guān)斷就越慢,損耗也就越大.對(duì)于IH的研究討論有格安迪SK的簡(jiǎn)單模型[4]和關(guān)艷霞的簡(jiǎn)化模型[5],關(guān)于IL的計(jì)算研究較少,特別是對(duì)于IL的計(jì)算到目前還沒(méi)有計(jì)算公式.本文將對(duì)IL和IH的計(jì)算進(jìn)行研究,從器件載流子濃度的角度推導(dǎo)出擎住電流IL的計(jì)算公式；利用電流密度與NPN晶體管的關(guān)系,得到維持電流IH的計(jì)算公式.

圖1 典型晶閘管結(jié)構(gòu)和正向i-v特性曲線Fig.1 Typical thyristor structure and forward i-v curve

1 兩種電流的計(jì)算

為了研究擎住電流IL和維持電流IH,對(duì)晶閘管結(jié)構(gòu)作如下假設(shè)；

1）假定橫坐標(biāo)軸x為圖1（a）所示的縱向方向,縱坐標(biāo)y軸為圖1（a）所示橫向方向原點(diǎn)位于圖1（a）左邊J1結(jié)處；

2）假定器件中載流子壽命為常數(shù),不考慮大注入下俄歇復(fù)合的影響；

3）假定載流子遷移率為常數(shù),不考慮晶閘管中寄生晶體管的基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)；

4）假定擎住電流邊界的載流子滿足結(jié)定理.

1.1 擎住電流

擎住電流的定義是在一個(gè)10μs的觸發(fā)脈沖的末尾能使晶閘管安全轉(zhuǎn)入導(dǎo)通模式,并且此門極信號(hào)歸零后還能安全的維持導(dǎo)通狀態(tài)的最小電流[6].從定義可知,擎住電流下器件處于通態(tài),此時(shí)器件內(nèi)部的反饋過(guò)程能夠維持.因此可以利用PIN二極管的導(dǎo)通特性對(duì)其分析,得到擎住電流的計(jì)算表達(dá)式.

對(duì)于圖1（a）所示的器件結(jié)構(gòu),由假設(shè)3）根據(jù)玻爾茲曼準(zhǔn)平衡假設(shè)下的結(jié)定理：耗盡層邊緣處的濃度與施加的正向偏壓關(guān)系；

其中,nie是本征有效載流子濃度,Nd是器件N型漂移區(qū)去摻雜濃度,Na是器件P型基區(qū)摻雜濃度,v1和v2分別是J1、J3結(jié)的結(jié)壓降.

為了求得N型漂移區(qū)和P型基區(qū)的電子空穴濃度分布,采用電子空穴的連續(xù)性方程：

其中,Dn和Dp分別是電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù),τ是漂移區(qū)的少子壽命.將式（3）乘以μpp,將式（4）乘以u(píng)nn,聯(lián)立方程可以得到

利用愛(ài)因斯坦關(guān)系

則可以簡(jiǎn)化得到電子連續(xù)性方程

其中Da＝2DnDp/（Dn＋Dp）.在擎住電流下,器件處于穩(wěn)態(tài),因此?n/?t＝0.由式（7）,可以解得載流子濃度的通解

其中系數(shù)A和B取決與邊界條件,La＝為少子即電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度.由于電中性的要求,存在n（x）＝p（x）.由式（1）和式（2）的邊界條件可以求得系數(shù)A和B,

于是可以得到在擎住電流下器件內(nèi)部載流子濃度分布

由電荷控制理論,擎住電流與漂移區(qū)內(nèi)電子與空穴的復(fù)合有關(guān)[7],

其中,R＝n（x）/τ是復(fù)合率,利用漂移區(qū)的平均載流子濃度na計(jì)算復(fù)合率,聯(lián)立上式得到

可以證明,具有式（11）分布的載流子濃度是連續(xù)的[8－9].所以平均載流子濃度

聯(lián)立式（12）和式（14）,可以得到晶閘管擎住電流

從式（15）看出晶閘管擎住電流的計(jì)算公式比較復(fù)雜,對(duì)擎住電流影響比較大的是器件漂移區(qū)長(zhǎng)度d和載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度La,從器件設(shè)計(jì)的角度,可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)器件的漂移區(qū)長(zhǎng)度d以及摻雜濃度得到理想的擎住電流.

1.2 維持電流

維持電流的定義是保持晶閘管在無(wú)門極電流時(shí)處于導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流,當(dāng)電流小于維持電流后晶閘管將會(huì)關(guān)斷[10].由晶閘管的導(dǎo)通原理可以知道,在維持電流水平的時(shí)候晶閘管內(nèi)部的正反饋得以維持.

對(duì)于圖1（a）所示結(jié)構(gòu)假設(shè)晶閘管維持電流密度大小為Jh,根據(jù)晶體管理論：電流密度在橫向上線性減小[11－12].因此J1結(jié)各處的電流密度為Jh（y）＝Jh（1－y/l）,其中l(wèi)為器件陰極寬度.

對(duì)于NPN晶體管,存在（1－anpn）Jh的電流密度在基區(qū)復(fù)合,成為NPN晶體管的基極電流.由于P型基區(qū)電阻存在,基極電流將會(huì)產(chǎn)生壓降,當(dāng)壓降低于一定程度時(shí),NPN晶體管中的N＋區(qū)無(wú)電子注入,晶閘管內(nèi)部增益無(wú)法維持即晶閘管關(guān)斷.

距離原點(diǎn)為y處的基極電流為

其中Z是垂直于剖面的長(zhǎng)度,離原點(diǎn)為y處的壓降為

將式（17）進(jìn)行積分可以到陰極中間的電壓為

于是可以得到晶閘管維持電流

式（19）給出了晶閘管維持電流.可以看出p區(qū)的薄層電阻、陰極指條的寬度l以及NPN晶體管的放大系數(shù)anpn對(duì)器維持電流影響較大.其中NPN晶體管的放大系數(shù)anpn是一個(gè)復(fù)雜的變化量[11],決定了對(duì)于晶閘管維持電流IH的準(zhǔn)確計(jì)算較難.通過(guò)式（19）可以看出采用對(duì)P型基區(qū)薄層電阻和陰極紙條的寬度l進(jìn)行合理設(shè)計(jì)能夠獲得的理想的維持電流.

2 模型計(jì)算與仿真

為了驗(yàn)證上述模型的正確性,利用Sentaurus TCAD工具[12]對(duì)典型的晶閘管器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真.晶閘管結(jié)構(gòu)剖面如圖2（a）所示,整個(gè)陽(yáng)極寬度是1 000μm（面積＝1×10－5cm2）,陰極叉指寬度為980μm,器件縱向高度400 um.N型漂移區(qū)的摻雜濃度為5×1013cm－3,P型基區(qū)高斯摻雜,表明濃度為5×1017cm－3,深度為25 um,N＋型陰極區(qū)域高斯摻雜分布,表面濃度為1×1020cm－3,深度為10 um；P＋陽(yáng)極也是高斯分布,表面濃度1×1019cm－3,深度為10μm.N型漂移區(qū)壽命取15μs.

圖2 模擬的器件結(jié)構(gòu)和摻雜濃度Fig.2 Device structure and doping concentration simulation

對(duì)于擎住電流和維持電流的數(shù)值模擬,采用先加偏置使晶閘管導(dǎo)通,然后降低陽(yáng)極電流,直到器件進(jìn)入阻斷狀態(tài).圖3給出了在300 K下器件的i-v特性.L點(diǎn)表示擎住電流密度為0.097 8 A·cm－2；H點(diǎn)表示維持電流密度數(shù)值為0.049 A·cm－2.

在晶閘管維持電流期間,由文獻(xiàn)[13－14]給出的計(jì)算公式可以得到NPN晶體管的增益為0.85；P型基區(qū)的薄層電阻為500Ω·sq－1,其中J1和J3結(jié)的壓降取為0.5V.表1給出了由上述模型計(jì)算結(jié)果與模擬仿真結(jié)果的區(qū)別.

根據(jù)擎住電流的計(jì)算表達(dá)式可知,擎住電流與器件漂移區(qū)長(zhǎng)度d和載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度La相關(guān).為了進(jìn)一步驗(yàn)證擎住電流計(jì)算式的正確性,表2給出了在不同漂移區(qū)長(zhǎng)度d下,擎住電流的計(jì)算和仿真模擬值.

圖3 模擬晶閘管的正向i-v特性曲線Fig.3 Forward i-v curve simulation of thyristor

表1 模擬值與計(jì)算結(jié)果（單位：A·cm－2）Table 1 Simulation results and calculated values（A·cm－2）

表2 不同漂移區(qū)長(zhǎng)度下模擬值與計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculated length of drift region under different simulated value

從表1可以看出模型計(jì)算出來(lái)的值和仿真結(jié)果值較一致,兩者之間的差別較小,由文獻(xiàn)可知,擎住電流一般為維持電流的2～4倍[15],表1中模型計(jì)算值符合要求；從表2可以看出不同漂移區(qū)長(zhǎng)度下擎住電流密度不一樣,仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)與模型計(jì)算的變化趨勢(shì)是一致的,且隨著漂移區(qū)長(zhǎng)度的減小仿真結(jié)果與模型計(jì)算值之間的誤差減小.為了進(jìn)一步驗(yàn)證擎住電流的正確性,圖4給出了采用模型計(jì)算的載流子濃度和仿真擎住電流時(shí)載流子濃度的對(duì)比.

圖4 載流子濃度在計(jì)算與仿真下的變化Fig.4 Carrier concentration in calculation and simulation

由圖4可以看出,模型與仿真得到的載流子濃度變化趨勢(shì)是一致的；同時(shí)從圖上兩者曲線上有一定的差別,在器件長(zhǎng)度300μm左側(cè)時(shí),模型計(jì)算值大于仿真結(jié)果載流子濃度,在器件長(zhǎng)度300μm右側(cè),仿真結(jié)果值大于模型計(jì)算載流子濃度.兩者出現(xiàn)差異主要是由于建立模型的時(shí)候?qū)δ承l件簡(jiǎn)化了如載流子壽命τ、載流子復(fù)合等.①在推導(dǎo)擎住電流過(guò)程中,載流子復(fù)合項(xiàng)只考慮SRH復(fù)合,沒(méi)有考慮俄歇復(fù)合,最終得到式（5）,這樣計(jì)算得到的載流子濃度偏大也就造成擎住電流偏大.載流子復(fù)合項(xiàng)對(duì)擎住電流的影響可以從圖4中估計(jì),在圖4中可以看出兩者相差的濃度差在1014cm－3數(shù)量級(jí),利用式（13）算出電流密度大小約為0.073 A·cm－2.將表中擎住電流模型計(jì)算值減去0.073 A·cm－2后,與仿真結(jié)過(guò)比較,誤差減小為27.5％.②在擎住電流計(jì)算式中,載流子壽命τ被看成是一個(gè)常數(shù),但是在實(shí)際過(guò)程中,載流子壽命τ會(huì)隨著載流子濃度的增加而變化.同時(shí),載流子在內(nèi)部的遷移率也與濃度相關(guān),也是一個(gè)變化的量,這些變化量都會(huì)造成計(jì)算結(jié)果值偏大.而且器件的漂移區(qū)長(zhǎng)度越短這種變化效應(yīng)越不明顯,從而擎住電流誤差就越小,其結(jié)果如表2所示.

由上討論可知,推導(dǎo)的擎住電流IL和維持電流IH的表達(dá)式是正確的.對(duì)于擎住電流的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際的略大,主要原因在于假設(shè)了載流子壽命τ為常數(shù)和載流子復(fù)合；由于維持電流計(jì)算式中P型基區(qū)的薄層電阻和NPN晶體管的電流增益計(jì)算的簡(jiǎn)單化,所以計(jì)算出來(lái)的值也比實(shí)際的略小.

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)晶閘管導(dǎo)通機(jī)理的分析,推導(dǎo)出了擎住電流IL和維持電流IH的計(jì)算式.利用數(shù)值模擬的方法計(jì)算出晶閘管的擎住電流和維持電流,通過(guò)將模擬與計(jì)算的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)符合較好,驗(yàn)證了擎住電流和維持電流計(jì)算式的正確性.進(jìn)一步表明,推導(dǎo)的計(jì)算式可以用于實(shí)際晶閘管的擎住電流IL和維持電流IH的計(jì)算,對(duì)于晶閘管的設(shè)計(jì)和制造具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性.

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Thyristor Latching Current and M aintain Current

TANWei, LI Jianqing
（School ofPhysical Electronics,University of Electronic Science and technology ofChina,Chengdu 610054,China）

Thyristor latching current and maintaining current have important effects on its working state.With thyristor conduction characteristics latching current is derived from carrier density；Based on current gain of NPN transistor,maintaining current is obtained.Compared with simulation results of Sentaurus TCAD software,calculated results have good agreement.It shows correctness of the formula.

thyristor；latching current；maintain current；current gain

1001-246X（2015）06-0729-06

TN3

A

2014－11－05：

2015－04－09

譚巍（1990－）,男,碩士,從事半導(dǎo)體器件TCAD研究,E-mail：tanuestc＠163.com；

李建清（1975－）,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師.主要從事半導(dǎo)體器件TCAD研究,及微波電子學(xué)、微波管CAD技術(shù)的基礎(chǔ)研究