如何保證晶閘管放大門極真正起作用

劉繼紅　李宮懷

晶閘管作為開關(guān)器件，開通時(shí)間是其非常重要的參數(shù)之一，而開通時(shí)間則取決于陰極面版圖的陰極、門極的設(shè)計(jì)，為了獲得更快的開通時(shí)間，就需要在設(shè)計(jì)上兼顧陰極過電流面積的基礎(chǔ)上，增加門極導(dǎo)通面積，使晶閘管在中心門級進(jìn)行一次觸發(fā)后，能夠迅速的進(jìn)行大面積的二次觸發(fā)，使晶閘管迅速的開通。

【關(guān)鍵詞】晶閘管 放大門級 作用

1 引言

要想保證放大門極真正起作用，或者使放大門極基礎(chǔ)上發(fā)展的交叉指狀門極起作用，不能通過計(jì)算等理論分析確認(rèn)結(jié)論，而必須對樣片進(jìn)行測試，證明放大門極的作用，在工藝上也要采取相應(yīng)方法使之達(dá)到放大效果。

2 理論分析與設(shè)計(jì)

晶閘管的開通時(shí)間是指器件由阻斷狀態(tài)在門極加入一個(gè)特定的電流脈沖后，晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所需要的時(shí)間。其波形見圖1。圖中Ig表示門極電流，Ia表示陽極電流，Ua表示晶閘管兩端施加的電壓。從圖1中可以看到，晶閘管的開通時(shí)間分為三部分。

2.1 第一部分：延遲時(shí)間

此時(shí)晶閘管的J2結(jié)仍然處于反向偏置狀態(tài)，主要是J2結(jié)的時(shí)間及載流子的渡越時(shí)間，一直持續(xù)到載流子放大系數(shù)（α1+α2）=1為止，見圖1b曲線0～1段；

2.2 第二部分：上升時(shí)間

晶閘管從載流子放大系數(shù)（α1+α2）=1到（α1+α2）≥1，直至J2結(jié)有一小部分區(qū)域變成正向偏置，見圖1b曲線1～2段；

2.3 第三部分：擴(kuò)展時(shí)間

晶閘管從局部導(dǎo)通一直擴(kuò)展到全面積導(dǎo)通的一段時(shí)間，見圖1b曲線2以后區(qū)域。

晶閘管采用放大式再生門極結(jié)構(gòu)，可以大大縮短器件開通時(shí)間。放大門極結(jié)構(gòu)如圖2所示。它的工作過程是門極對主晶閘管陰極加正向電壓，電流Ig（忽略表面漏電流）從門極經(jīng)等效電阻R1和小晶閘管陰極N20下等效電阻Rgo經(jīng)主陰極N21下面等效電阻Rg1流入第一排短路點(diǎn)，當(dāng)Ig大至Ig×Rgo≥Vo時(shí)，小晶閘管P1N1P2N20開通。陽極電流通過P2N20，由小陰極流向主陰極，此電流途徑Rg1使Ig1Rg1≥VO，從而使主陰極開通，主晶閘管開通后，將輔助晶閘管短路，小晶閘管關(guān)閉。由于主電路電壓較高，電流較大，故實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)觸發(fā)，交叉指狀結(jié)構(gòu)或漸開線結(jié)構(gòu)是在此基礎(chǔ)上將放大門級面積增大，延長線加長，從而使二次觸發(fā)面積加大，保證大面積陰極同時(shí)導(dǎo)通。

我們首先分析一下放大門極起作用的條件，在這種情況下，如果忽略Ig1（表面漏電流）和Ig2（通過P2N2注入電流），要使輔助小晶閘管先于主晶閘管導(dǎo)通，使放大門極能起作用，則要求N20下面電壓先于N21下面電壓先達(dá)到VO（0.5～0.6V），因此放大門極先起作用的條件為：Rgo>Rg1

因?yàn)镽go=ρp2×ln（rg2/rg1）/2πWp2

Rg1=ρp2×ln（r1/r0）/2πWp2

所以只有在rg2/rg1>r1/r0時(shí)，Rgo>Rg1

在α1和α2足夠大，則晶閘管觸發(fā)電流電壓為：IGT=VO/Rgo，VGT=Ig（R1+Rgo+Rg1）=VO（R1+Rgo+Rg1）/Rgo

由于放大門極外延到陰極內(nèi)沿的橫向電阻RO一般較小，式中忽略不計(jì)。

若考慮到表面漏電流，則IGT要較此大一些，即：IGT=Ig1+VO/Rgo

要減少門極觸發(fā)電流IGT，要減小J3結(jié)表面漏電流IG1外，要求Rgo或Rg盡可能大，但這樣又會使VGT增加，必須綜合考慮，使IGT小同時(shí)觸發(fā)功耗亦小，即PGT=VGT×IGT

要想保證放大門極真正起作用，或者使放大門極基礎(chǔ)上發(fā)展的交叉指狀門極起作用，不是簡單計(jì)算一下，畫個(gè)圖就可以了，還必須對樣片進(jìn)行測試，證明它起作用，在工藝上也要采取相應(yīng)辦法使之很好的起作用。

如何通過測試的方法證明放大門極起作用呢？可以首先定義一下，一次觸發(fā)電流IGT和二次觸發(fā)電流IGT1，所謂一次觸發(fā)電流是用門極和陰極之間的電流觸開放大門極所需最小的電流；所謂二次觸發(fā)電流是用放大門極作為門極去觸發(fā)晶閘管所需最小電流。我們分別測出芯片這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行比較，來確定放大門極起作用及作用的大小。

用門極去觸發(fā)陰極即是IGT，它的大小應(yīng)反映Rgo（橫向電阻）的大小，而用放大門極去觸發(fā)陰極即IGT1，即二次觸發(fā)電流，它的大小反映Rg1（橫向電阻）的大小。即是說，如果IGT×Rgo=VO，輔助晶閘管開通；如果IGT1×Rg1=VO，那么主晶閘管開通，如果IGT

由于放大門極或交叉指狀結(jié)構(gòu)與主陰極的邊緣線很長，故正常情況下IGT1很大。直接用門極對其驅(qū)動，需要門極提供過大的電流。所以通過放大門極，首先觸開放大門極，用陽極電流做為觸發(fā)電流去觸發(fā)主晶閘管。如果想比較放大的效果，可以用K=IGT1/IGT來衡量。這是最小電流放大倍數(shù)，因?yàn)檩o助晶閘管提供的陽極電流不只是這個(gè)值。然而是不是IGT1越大越好呢？答案是否定的。因?yàn)榉糯箝T極的交叉指狀結(jié)構(gòu)與主陰極邊緣線長，故而要注意不要產(chǎn)生局部短路，也要避免表面漏電流過大使IGT1中無效部分過大，這樣使二次觸發(fā)電流過大，放大門極吃力，甚至燒毀，而且主陰極導(dǎo)致開通不均勻。

所以，在工藝方要求一方面光刻對版要精細(xì)，不產(chǎn)生陰極鋁層壓住P2，也不要放大門極鋁層壓到N2，鋁層要徹底斷開。并建議在反刻鋁后帶著保護(hù)膠用混酸對分界區(qū)輕腐蝕，去除表面漏電，減小無效電流。

3 結(jié)束語

對于高di/dt的晶閘管，必須要使放大門極真正的起作用，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的放大門極圖形，并合理設(shè)置放大門極和陰極的第一圈短路點(diǎn)，當(dāng)加門極觸發(fā)電流時(shí)，放大門極首先導(dǎo)通，從陽極流過來的電流經(jīng)過放大門極與門極觸發(fā)電流共同去觸發(fā)陰極，同時(shí)使di/dt的耐量得到顯著的提高。

作者單位

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