晶閘管的擎住電流與維持電流

譚 巍, 李建清（電子科技大學物理電子學院,四川成都 610054）

晶閘管的擎住電流與維持電流

譚 巍, 李建清
（電子科技大學物理電子學院,四川成都 610054）

晶閘管的擎住電流和維持電流對于晶閘管的工作有重要的影響.利用晶閘管的導通特性,從載流子的角度推導出擎住電流的計算公式；通過對NPN晶體管電流增益的分析,得到維持電流的表達式.將計算結果與Sentaurus TCAD軟件仿真結果對比,發現兩者符合較好,驗證了計算公式的正確性.

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域占據統治地位,被廣泛應用于低開關頻率領域和高電壓、大電流的大功率范圍[1].晶閘管同時具有正向和反向的電壓阻斷能力,典型的晶閘管結構如圖1（a）所示,圖1（b）給出了晶閘管典型的正向i-v特性曲線以及相關參數.在晶閘管正向i-v特性曲線中,擎住電流IL和維持電流IH是兩個重要的參數,它們對晶閘管的開通和關斷均有影響[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通且開通損耗越大；維持電流IH表征了晶閘管關斷過程的難易程度,IH越大晶閘管關斷就越慢,損耗也就越大.對于IH的研究討論有格安迪SK的簡單模型[4]和關艷霞的簡化模型[5],關于IL的計算研究較少,特別是對于IL的計算到目前還沒有計算公式.本文將對IL和IH的計算進行研究,從器件載流子濃度的角度推導出擎住電流IL的計算公式；利用電流密度與NPN晶體管的關系,得到維持電流IH的計算公式.

圖1 典型晶閘管結構和正向i-v特性曲線Fig.1 Typical thyristor structure and forward i-v curve

1 兩種電流的計算

為了研究擎住電流IL和維持電流IH,對晶閘管結構作如下假設；

1）假定橫坐標軸x為圖1（a）所示的縱向方向,縱坐標y軸為圖1（a）所示橫向方向原點位于圖1（a）左邊J1結處；

2）假定器件中載流子壽命為常數,不考慮大注入下俄歇復合的影響；

3）假定載流子遷移率為常數,不考慮晶閘管中寄生晶體管的基區擴展效應；

4）假定擎住電流邊界的載流子滿足結定理.

1.1 擎住電流

擎住電流的定義是在一個10μs的觸發脈沖的末尾能使晶閘管安全轉入導通模式,并且此門極信號歸零后還能安全的維持導通狀態的最小電流[6].從定義可知,擎住電流下器件處于通態,此時器件內部的反饋過程能夠維持.因此可以利用PIN二極管的導通特性對其分析,得到擎住電流的計算表達式.

對于圖1（a）所示的器件結構,由假設3）根據玻爾茲曼準平衡假設下的結定理：耗盡層邊緣處的濃度與施加的正向偏壓關系；

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

為了求得N型漂移區和P型基區的電子空穴濃度分布,采用電子空穴的連續性方程：

其中,Dn和Dp分別是電子和空穴的擴散系數,τ是漂移區的少子壽命.將式（3）乘以μpp,將式（4）乘以unn,聯立方程可以得到

利用愛因斯坦關系

則可以簡化得到電子連續性方程

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

其中系數A和B取決與邊界條件,La＝為少子即電子的擴散長度.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A和B,

于是可以得到在擎住電流下器件內部載流子濃度分布

由電荷控制理論,擎住電流與漂移區內電子與空穴的復合有關[7],

其中,R＝n（x）/τ是復合率,利用漂移區的平均載流子濃度na計算復合率,聯立上式得到

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

聯立式（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算公式比較復雜,對擎住電流影響比較大的是器件漂移區長度d和載流子擴散長度La,從器件設計的角度,可以通過合理設計器件的漂移區長度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門極電流時處于導通的最小陽極電流,當電流小于維持電流后晶閘管將會關斷[10].由晶閘管的導通原理可以知道,在維持電流水平的時候晶閘管內部的正反饋得以維持.

對于圖1（a）所示結構假設晶閘管維持電流密度大小為Jh,根據晶體管理論：電流密度在橫向上線性減小[11－12].因此J1結各處的電流密度為Jh（y）＝Jh（1－y/l）,其中l為器件陰極寬度.

對于NPN晶體管,存在（1－anpn）Jh的電流密度在基區復合,成為NPN晶體管的基極電流.由于P型基區電阻存在,基極電流將會產生壓降,當壓降低于一定程度時,NPN晶體管中的N＋區無電子注入,晶閘管內部增益無法維持即晶閘管關斷.

距離原點為y處的基極電流為

其中Z是垂直于剖面的長度,離原點為y處的壓降為

將式（17）進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區的薄層電阻、陰極指條的寬度l以及NPN晶體管的放大系數anpn對器維持電流影響較大.其中NPN晶體管的放大系數anpn是一個復雜的變化量[11],決定了對于晶閘管維持電流IH的準確計算較難.通過式（19）可以看出采用對P型基區薄層電阻和陰極紙條的寬度l進行合理設計能夠獲得的理想的維持電流.

2 模型計算與仿真

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

圖2 模擬的器件結構和摻雜濃度Fig.2 Device structure and doping concentration simulation

對于擎住電流和維持電流的數值模擬,采用先加偏置使晶閘管導通,然后降低陽極電流,直到器件進入阻斷狀態.圖3給出了在300 K下器件的i-v特性.L點表示擎住電流密度為0.097 8 A·cm－2；H點表示維持電流密度數值為0.049 A·cm－2.

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

根據擎住電流的計算表達式可知,擎住電流與器件漂移區長度d和載流子擴散長度La相關.為了進一步驗證擎住電流計算式的正確性,表2給出了在不同漂移區長度d下,擎住電流的計算和仿真模擬值.

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 模擬值與計算結果（單位：A·cm－2）Table 1 Simulation results and calculated values（A·cm－2）

表2 不同漂移區長度下模擬值與計算結果Table 2 Calculated length of drift region under different simulated value

從表1可以看出模型計算出來的值和仿真結果值較一致,兩者之間的差別較小,由文獻可知,擎住電流一般為維持電流的2～4倍[15],表1中模型計算值符合要求；從表2可以看出不同漂移區長度下擎住電流密度不一樣,仿真結果的變化趨勢與模型計算的變化趨勢是一致的,且隨著漂移區長度的減小仿真結果與模型計算值之間的誤差減小.為了進一步驗證擎住電流的正確性,圖4給出了采用模型計算的載流子濃度和仿真擎住電流時載流子濃度的對比.

圖4 載流子濃度在計算與仿真下的變化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是一致的；同時從圖上兩者曲線上有一定的差別,在器件長度300μm左側時,模型計算值大于仿真結果載流子濃度,在器件長度300μm右側,仿真結果值大于模型計算載流子濃度.兩者出現差異主要是由于建立模型的時候對某些條件簡化了如載流子壽命τ、載流子復合等.①在推導擎住電流過程中,載流子復合項只考慮SRH復合,沒有考慮俄歇復合,最終得到式（5）,這樣計算得到的載流子濃度偏大也就造成擎住電流偏大.載流子復合項對擎住電流的影響可以從圖4中估計,在圖4中可以看出兩者相差的濃度差在1014cm－3數量級,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算值減去0.073 A·cm－2后,與仿真結過比較,誤差減小為27.5％.②在擎住電流計算式中,載流子壽命τ被看成是一個常數,但是在實際過程中,載流子壽命τ會隨著載流子濃度的增加而變化.同時,載流子在內部的遷移率也與濃度相關,也是一個變化的量,這些變化量都會造成計算結果值偏大.而且器件的漂移區長度越短這種變化效應越不明顯,從而擎住電流誤差就越小,其結果如表2所示.

由上討論可知,推導的擎住電流IL和維持電流IH的表達式是正確的.對于擎住電流的計算結果比實際的略大,主要原因在于假設了載流子壽命τ為常數和載流子復合；由于維持電流計算式中P型基區的薄層電阻和NPN晶體管的電流增益計算的簡單化,所以計算出來的值也比實際的略小.

3 總結

通過對晶閘管導通機理的分析,推導出了擎住電流IL和維持電流IH的計算式.利用數值模擬的方法計算出晶閘管的擎住電流和維持電流,通過將模擬與計算的結果對比發現符合較好,驗證了擎住電流和維持電流計算式的正確性.進一步表明,推導的計算式可以用于實際晶閘管的擎住電流IL和維持電流IH的計算,對于晶閘管的設計和制造具有較強的指導性.

[1] 袁立強,趙爭鳴,宋高升,王正元.電力半導體器件原理與應用[M].北京：機械工業出版社,2011：3－10.

[2] 徐德鴻.現代電力電子器件原理與應用技術[M].北京：機械工業出版社,2011：5－10.

[3] 王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社,2009：119－125.

[4] 格安迪SK.功率半導體器件工作原理與設計[M].北京：機械工業出版社,1982：60.

[5] 關艷霞,高金凱.晶閘管維持電流的研究[J].沈陽工業大學學報,1999,21（3）：221－222.

[6] 維捷斯拉夫.本達（捷克）.功率半導體器件理論及應用[M].吳郁,張萬榮,劉興明,譯.北京：化學工業出版社, 2005：8－12.

[7] Balign B J（美）.功率半導體器件基礎[M].韓鄭生,陸江,宋李梅,譯.北京：電子工業出版社,2013,125－128.

[8] Howard N R,Johnson GW.PIN silicon diodes athigh forward current densities[J].Solid-State Electronics,1965,8：275－284.

[9] Hall R N.Power rectifiers and transistors[J].Proceeding of the IRE,1962,40：1512－1518.

[10] 維捷斯拉夫.本達（捷克）.功率半導體器件理論及應用[M].吳郁,張萬榮,劉興明,譯.北京：化學工業出版社, 2005：8－12.

[11] Ebers J J.Four-terminal pnpn transistors[J].Proc IRE,1952,40：1361－1364.

[12] http：//www.synopsys.com/Tools/TCAD/Pages/default.aspx.

[13] Balign B J（美）.功率半導體器件基礎[M].韓鄭生,陸江,宋李梅,譯.北京：電子工業出版社,2013：125－128.

[14] Jonscher A K.Principles of semiconductor device operation[J].G Bell Sons Ltd,1960：97－99.

[15] Lutz J,Schlangenotto H（德）.功率半導體器件——原理、特性和可靠性[M].卞抗,楊瑩,劉靜,譯.北京：機械工業出版社,2013：217－218.

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?。?990－）,男,碩士,從事半導體器件TCAD研究,E-mail：tanuestc＠163.com；

李建清（1975－）,男,博士,教授,博士生導師.主要從事半導體器件TCAD研究,及微波電子學、微波管CAD技術的基礎研究