脈沖工況晶閘管擴(kuò)展速度的影響因素研究*

張 曉，張冠祥，魯軍勇，戴宇峰，武文軒

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033)

功率半導(dǎo)體器件具有耐壓高、通流大、功率大、應(yīng)用靈活、易于控制的特點(diǎn)，在電磁發(fā)射、脈沖強(qiáng)磁場、電力電子變換器等高壓脈沖功率領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-4]。在這些系統(tǒng)中，往往需要用到晶閘管的浪涌電流來減少器件并聯(lián)數(shù)量，滿足體積質(zhì)量小型化需要。相應(yīng)地，在這些系統(tǒng)中晶閘管開關(guān)在開通過程中需要承受的電流上升率di/dt比常規(guī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況要高得多，晶閘管更易失效。主要原因在于，晶閘管剛剛開始導(dǎo)通時(shí)，如果電流上升率di/dt過大，而其從觸發(fā)區(qū)域向周圍的擴(kuò)展速度過慢，則電流只能從很小的面積上流過，會(huì)引起局部溫度過高，甚至導(dǎo)致晶閘管失效。在對(duì)脈沖工況應(yīng)用損壞的器件解剖分析中，70%以上都是由于過大的di/dt導(dǎo)致器件損壞[5]。因而，保證脈沖工況晶閘管在橫向擴(kuò)展過程中具有足夠快的擴(kuò)展速度是脈沖應(yīng)用晶閘管設(shè)計(jì)和應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問題。

已有文獻(xiàn)主要采用探針測量或紅外觀測的方法，從試驗(yàn)角度針對(duì)該問題開展了研究。Longini等[6]對(duì)晶閘管開通后的橫向擴(kuò)展過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)撤掉門極觸發(fā)電流后，遠(yuǎn)離門極的區(qū)域仍會(huì)逐漸導(dǎo)通，因此認(rèn)為這一現(xiàn)象與器件的已開通區(qū)域有關(guān)。Dodson等[7]、Matsuzawa[8]通過設(shè)計(jì)矩形條狀晶閘管來直接觀察器件內(nèi)部開通后的橫向擴(kuò)展過程，發(fā)現(xiàn)門極觸發(fā)電流的大小和寬度不影響開通后的擴(kuò)展速度，而負(fù)載電流、基區(qū)寬度等因素對(duì)擴(kuò)展速度影響明顯，并通過實(shí)驗(yàn)測量得到擴(kuò)展速度與電流的n次冪成比例。Ruhl[9]、Song等[10]發(fā)現(xiàn)電流的橫向擴(kuò)展與橫向電場有關(guān)，從橫向偏壓的角度提出了橫向偏置模型，并通過電探針、紅外探測技術(shù)等實(shí)驗(yàn)方法觀察開通后的擴(kuò)展過程，驗(yàn)證了在一定的電流密度下橫向偏置模型的正確性。Bergman[11]通過在晶閘管的P基區(qū)加探針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)陰極區(qū)域的擴(kuò)展速度進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展是在近似均勻的速度下進(jìn)行的，并給出了擴(kuò)展速度與上升時(shí)間(低陽極電壓下)的關(guān)系。文獻(xiàn)[12]研究了晶閘管閥開通暫態(tài)、關(guān)斷暫態(tài)中電壓電流的影響因素和時(shí)變機(jī)理；文獻(xiàn)[13]對(duì)串聯(lián)晶閘管開通過程進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[14]研究了不同條件下晶閘管觸發(fā)開通特性，尋求改善其開通性能的方法。

綜上所述，現(xiàn)有的晶閘管擴(kuò)展速度的研究都是針對(duì)方形脈沖或者直流下進(jìn)行的，而對(duì)具有高電壓、大電流特點(diǎn)的脈沖工況來說，由于過大的電流上升率di/dt，晶閘管開通過程中存在觸發(fā)前沿?cái)U(kuò)展問題，可能會(huì)使晶閘管局部過熱而導(dǎo)致熱失效。在陰極觸點(diǎn)上刻蝕小的圓形溝槽或者設(shè)置觀察孔等試驗(yàn)方法，對(duì)于目前生產(chǎn)的封裝好的大功率晶閘管來說，也是很難實(shí)現(xiàn)的。本文從晶閘管的內(nèi)部機(jī)理出發(fā)，建立器件-電路模型，仿真分析晶閘管的開通機(jī)理以及擴(kuò)展速度的影響因素，研究基區(qū)載流子壽命、基區(qū)寬度、溫度和正向阻斷電壓等因素對(duì)脈沖工況晶閘管擴(kuò)展速度的影響，對(duì)應(yīng)用于脈沖工況下晶閘管的設(shè)計(jì)和選型具有指導(dǎo)意義。

1 晶閘管的橫向擴(kuò)展

晶閘管的開通時(shí)間可分為延遲時(shí)間(td)、上升時(shí)間(tr)和擴(kuò)展時(shí)間(tsp)三部分[15]，如圖1(a)所示。最初是延遲時(shí)間，此時(shí)器件上的外加電壓基本沒有隨門極脈沖發(fā)生變化，電壓下降到10%時(shí)所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，從局部開通到完全開通所用的時(shí)間稱為擴(kuò)展時(shí)間。

(a) 電壓、電流示意(a) Diagram of voltage and current curve

在對(duì)晶閘管的門極施加觸發(fā)電流后，j3結(jié)的少子注入電流增大，電子在強(qiáng)電場作用下會(huì)被抽出到N基區(qū)，并穿越N基區(qū)，引起空穴的再注入，此時(shí)器件的j1和j3結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，j2結(jié)仍處于反向偏置狀態(tài)。隨著載流子的不斷積累，j2結(jié)上靠近門極的陰極邊緣區(qū)域變?yōu)檎蚱茫藭r(shí)器件局部開通，存在局部導(dǎo)通電流。當(dāng)局部導(dǎo)通電流足夠大時(shí)，已開通的區(qū)域會(huì)漸漸擴(kuò)展，直至晶閘管完全開通，如圖1(b)所示。

其中，擴(kuò)展時(shí)間由于等離子體擴(kuò)展速度的局限性，通常在開通過程中的持續(xù)時(shí)間最長[16]，對(duì)晶閘管的耐di/dt、抗浪涌電流、開通損耗等性能影響較大[10]。例如，當(dāng)器件的開通區(qū)域較小時(shí)，過高的di/dt很可能會(huì)導(dǎo)致器件的局部溫度過高而發(fā)生熱擊穿，甚至引起損壞。

對(duì)于解釋晶閘管的等離子體擴(kuò)展現(xiàn)象，主要有兩個(gè)不同的理論：一是基于載流子擴(kuò)散模型，認(rèn)為擴(kuò)散作用是主要的影響因素[17-18]；二是基于P基區(qū)的橫向電場提出的橫向偏置模型，認(rèn)為電場作用才是主要的影響因素[9，19]。無論是載流子擴(kuò)散模型還是橫向電場偏置模型，對(duì)于晶閘管局部開通后的擴(kuò)展速度影響因素，兩種理論是一致的。

其中，等離子體的擴(kuò)展速度主要與晶閘管中已導(dǎo)通部分的局部電流密度、基區(qū)寬度、基區(qū)載流子壽命以及溫度有關(guān)[8，20]。N+發(fā)射區(qū)短路點(diǎn)的密度對(duì)擴(kuò)展速度也會(huì)有影響，短路點(diǎn)會(huì)在局部位置上起作用，使P基區(qū)橫向電流在該處疏散，從而減慢等離子體的擴(kuò)展速度。

2 晶閘管器件-電路模型

本文在Silvaco軟件的Atlas模塊中建立了晶閘管二維器件模型，如圖2所示，所選擇的物理模型包括遷移率模型、復(fù)合壽命模型、電離模型等[21]，具體如表1所示。由于晶閘管器件結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱的，因此在開通擴(kuò)展過程中，向兩側(cè)的擴(kuò)展情況是完全相同的，故后文在分析相關(guān)參數(shù)對(duì)擴(kuò)展速度的影響時(shí)，將只針對(duì)向右側(cè)擴(kuò)展的情況進(jìn)行分析。

圖2 晶閘管器件模型的橫截面Fig.2 Cross section of thyristor device model

表1 晶閘管物理模型

圖2中的晶閘管模型為中心門極型，并包含短路發(fā)射點(diǎn)，A、K、G分別為晶閘管的陽極、陰極以及門極。N+發(fā)射區(qū)以及N基區(qū)均為N型摻雜，摻雜元素為硼；P+發(fā)射區(qū)和P基區(qū)為P型摻雜，摻雜元素為磷。

上述物理模型中涉及的變量及參數(shù)所代表的含義如表2所示，未在表中列出的參數(shù)均為實(shí)常數(shù)。

表2 物理模型參數(shù)及相關(guān)符號(hào)

為了模擬晶閘管在脈沖大電流下的開通過程，建立了器件串聯(lián)電阻、電感以及電容脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型，如圖3所示，對(duì)晶閘管模型進(jìn)行器件-電路聯(lián)合仿真。

圖3 脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of pulse forming network

圖3中，V為充電裝置，Rcharge為限流電阻，S為充電開關(guān)，C為儲(chǔ)能元件電容器，SCR為開關(guān)元件晶閘管，L為調(diào)波電感，Ig為門極觸發(fā)電流，Rload為負(fù)載。當(dāng)給門極通入觸發(fā)電流Ig后，晶閘管開始導(dǎo)通，此時(shí)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生一個(gè)快速上升的大電流脈沖，從而可以分析脈沖工況下載流子壽命、基區(qū)寬度等參數(shù)對(duì)晶閘管擴(kuò)展速度的影響。

3 參數(shù)分析

對(duì)于N基區(qū)的寬度以及摻雜濃度等參數(shù)，由一些理論公式及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)所設(shè)計(jì)，見表3。關(guān)于P基區(qū)的參數(shù)，一次擴(kuò)散表面濃度控制在8×1016～5×1017cm-3，二次擴(kuò)散的結(jié)深約為15～25 μm，二次擴(kuò)散濃度控制在2×1020～1×1021cm-3。

表3 晶閘管模型的建模公式

上述公式中涉及的變量及參數(shù)所代表的含義如表4所示。

表4 晶閘管參數(shù)及相關(guān)符號(hào)

為了簡化計(jì)算，定義在晶閘管導(dǎo)通區(qū)域的擴(kuò)展是一個(gè)勻速擴(kuò)展，擴(kuò)展速度方程可表示為：

(1)

式中：v為晶閘管電流橫向擴(kuò)展速度，單位為mm/s；Δl為在Δt時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展的距離，單位為mm；Δt為擴(kuò)展時(shí)間，單位為s。

3.1 正向阻斷電壓

固定脈沖成型網(wǎng)絡(luò)中的元件參數(shù)不變，圖4為改變正向阻斷電壓對(duì)放電結(jié)果的影響情況，可看出正向阻斷電壓U從2 000 V增加至5 000 V時(shí)，放電電流峰值從19.62 kA增加到了49.21 kA。

圖4 不同電壓下的放電特性曲線Fig.4 Discharge characteristic curve under different voltage

晶閘管初始的開通位置為靠近門極的陰極區(qū)域，在0 ms時(shí)，向門極通入觸發(fā)電流，經(jīng)過短暫的延遲時(shí)間及上升時(shí)間后，約在x為60 000 μm處開始向右側(cè)擴(kuò)展。圖5(a)為3 000 V正向阻斷電壓下，晶閘管在0.57 ms時(shí)的電流密度分布情況，可以看到此時(shí)擴(kuò)展到了90 588 μm處。而在5 000 V正向阻斷電壓下，晶閘管在0.57 ms時(shí)擴(kuò)展到了98 105 μm處，如圖5(b)所示。圖5(c)是對(duì)不同電壓下y=600 μm處的電流密度進(jìn)行對(duì)比，可以看到隨著正向阻斷電壓的增加，晶閘管的擴(kuò)展速度明顯加快。由擴(kuò)展速度方程可得，U從3 000 V增加至5 000 V時(shí)，擴(kuò)展速度v從53 663 mm/s增加到66 851 mm/s，增加了24.6%。

(a) U=3 000 V，t=0.57 ms時(shí)電流密度分布(a) Distribution of current density at U=3 000 V, t=0.57 ms

經(jīng)分析，擴(kuò)展速度加快的主要原因?yàn)椋悍烹婋娏鞯脑龃髸?huì)導(dǎo)致晶閘管擴(kuò)展過程中局部電流密度的增加，而擴(kuò)展速度會(huì)隨著局部電流密度的增大而提高，因此擴(kuò)展速度會(huì)隨著電壓的升高而加快。

3.2 基區(qū)載流子壽命

圖6(a)是基區(qū)載流子壽命為1 μs時(shí)，晶閘管在0.57 ms時(shí)的電流密度分布情況，可以看到此時(shí)擴(kuò)展到了90 458 μm處。圖6(b)是基區(qū)載流子壽命為10 μs時(shí)，晶閘管在0.57 ms時(shí)的電流密度分布情況，可以看到此時(shí)擴(kuò)展到了107 800 μm處。由擴(kuò)展速度方程可得，壽命從1 μs增加至10 μs，v從53 435 mm/s增加到83 860 mm/s，增加了56.9%。圖6(c)為y=600 μm時(shí)不同載流子壽命下的電流密度對(duì)比圖，可看到隨著載流子壽命的增加，晶閘管的擴(kuò)展速度會(huì)顯著提高。

(a) τp=τn=1 μs，t=0.57 ms時(shí)的電流密度分布(a) Distribution of current density at τp=τn=1 μs，t=0.57 ms

擴(kuò)展速度隨載流子壽命的增加而加快的原因是：基區(qū)載流子壽命的增加會(huì)增大電流放大系數(shù)，而隨著電流放大系數(shù)的增大，晶閘管局部開通的時(shí)間會(huì)縮短，擴(kuò)展速度就會(huì)變快。式(2)～(5)分別是注入比γ、輸運(yùn)系數(shù)β、電流放大系數(shù)α以及有效基區(qū)寬度We(N1)的表達(dá)式，即：

α=βγ

(2)

(3)

(4)

We(N1)=Wn(N1)-Xm(N1)

(5)

式中：Dn為電子的擴(kuò)散系數(shù)，單位為cm2/s；Ln為電子的擴(kuò)散長度，單位為cm；nn0、pp0分別為熱平衡下n型半導(dǎo)體的電子濃度和p型半導(dǎo)體的空穴濃度，單位為個(gè)/cm3。

聯(lián)立式(2)～(5)可得，當(dāng)固定空穴和電子的擴(kuò)散系數(shù)Dp和Dn不變，且有效基區(qū)寬度We(N1)小于擴(kuò)散長度Lp時(shí)，基區(qū)載流子的壽命τp和τn越長，Lp和Ln越長，注入比γ和輸運(yùn)系數(shù)β就越大，因此電流放大系數(shù)α也越大，從而擴(kuò)展速度也就越快。

3.3 基區(qū)寬度

在其他參數(shù)一致的情況下，基區(qū)寬度的變化對(duì)擴(kuò)展速度的影響，如圖7所示。從圖7中可以看到基區(qū)寬度的增加會(huì)使擴(kuò)展速度下降，其中基區(qū)寬度為500 μm的擴(kuò)展到了92 484 μm，而基區(qū)寬度為900 μm的只擴(kuò)展到了82 191 μm。由擴(kuò)展速度方程可得，基區(qū)寬度從500 μm增加至900 μm，v從56 989 mm/s減少到38 932 mm/s，減少了31.7%。

(a) W=500 μm，t=0.57 ms時(shí)的電流密度分布(a) Distribution of current density at W=500 μm,t=0.57 ms

晶閘管的開通，主要是依靠向門極注入觸發(fā)電流實(shí)現(xiàn)的。在門極通入觸發(fā)電流后，電子首先在門極擴(kuò)散，穿越空間電荷區(qū)，在強(qiáng)電場的作用下，被抽出到N區(qū)，會(huì)引起空穴的再注入，載流子在晶閘管整個(gè)管芯中貫通，直至完全開通[22]。N基區(qū)寬度Wn(N1)越寬，則載流子需要穿越的距離也會(huì)增加，晶閘管的擴(kuò)展速度也就越慢。

由式(2)～(5)也可得到，當(dāng)器件的其他參數(shù)不變，基區(qū)寬度減少時(shí)，有效基區(qū)寬度會(huì)變窄，電流放大系數(shù)會(huì)增大，從而晶閘管開通后的擴(kuò)展速度也會(huì)增加。

3.4 溫度

溫度的變化對(duì)擴(kuò)展速度的影響如圖8所示，在觸發(fā)后的0.57 ms，溫度為300 K時(shí)擴(kuò)展到了107 800 μm，而溫度為330 K時(shí)擴(kuò)展到了107 950 μm，隨著溫度的升高，擴(kuò)展速度增加得很少。由擴(kuò)展速度方程可得，溫度從300 K增加至330 K，v從83 860 mm/s增加到84 123 mm/s，僅增加了0.3%。

(a) T=300 K，t=0.57 ms時(shí)的電流密度分布(a)Distribution of current density at T=300 K, t=0.57 ms

溫度的升高會(huì)提高晶閘管的擴(kuò)展速度，但是增加得很少，主要是因?yàn)殡S著溫度T的升高，載流子的擴(kuò)散系數(shù)會(huì)由于晶格熱運(yùn)動(dòng)的加劇而下降，同時(shí)載流子的壽命隨著T的升高有所增加，從而使得載流子的擴(kuò)散長度仍是有所增加的。由式(2)～(5)可得，當(dāng)其他參數(shù)不變，載流子的擴(kuò)散長度增加時(shí)，電流放大系數(shù)也會(huì)增加，晶閘管開通后的擴(kuò)展速度也會(huì)增大。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)晶閘管開通過程進(jìn)行分析，認(rèn)為在晶閘管開通過程中，擴(kuò)展速度對(duì)其性能有著重要的影響。其次分析了正向阻斷電壓、基區(qū)載流子壽命、基區(qū)寬度、溫度對(duì)擴(kuò)展速度的影響。最后建立了晶閘管器件和脈沖成形網(wǎng)絡(luò)等效電路模型，并進(jìn)行了器件-電路的聯(lián)合仿真。

分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：正向阻斷電壓的增加會(huì)影響器件的局部電流密度，從而使擴(kuò)展速度加快，電壓從3 000 V提高至5 000 V時(shí)，擴(kuò)展速度會(huì)增加24.6%；基區(qū)寬度的減少會(huì)大大降低載流子穿越基區(qū)的時(shí)間，也會(huì)使擴(kuò)展速度加快，結(jié)果顯示基區(qū)寬度從500 μm增加至900 μm時(shí)，擴(kuò)展速度會(huì)減少31.7%；基區(qū)載流子壽命的增加、溫度的升高都會(huì)使擴(kuò)展速度加快，其中載流子壽命從1 μs增加至10 μs時(shí)，擴(kuò)展速度增加了56.9%，而溫度從300 K增加至330 K時(shí)，擴(kuò)展速度僅增加了0.3%，可以看到溫度對(duì)擴(kuò)展速度的影響較小。擴(kuò)展速度的提高雖然會(huì)提高晶閘管的di/dt能力，但是并不是越快越好，它和其他許多參數(shù)都是矛盾的，如基區(qū)寬度的減少會(huì)降低器件的耐壓能力，正向阻斷電壓的增加也會(huì)要求器件具有更高的耐壓和通流能力。因此，要根據(jù)提出的指標(biāo)，選擇合適的參數(shù)以達(dá)到所需的擴(kuò)展能力，之后設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際需求的器件。