晶閘管的主要特性課件

2.3晶閘管的主要特性(第四講)

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性2.3.2晶閘管的通態(tài)特性2.3.3晶閘管的動態(tài)特性電子發(fā)燒友電子技術論壇本節(jié)主要內(nèi)容

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性晶閘管阻斷模式

(1)PN結的雪崩擊穿、穿通效應

(2)晶閘管的阻斷電壓

(3)晶閘管的最小長基區(qū)寬度Wn(min)器件的結終端技術

(1)表面態(tài)與表面電場(2)結終端技術2.3.2晶閘管的通態(tài)特性(1)晶閘管的通態(tài)電壓(2)功耗電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）（1）p+n結的擊穿電壓雪崩擊穿電壓：碰撞電離的強弱程度通常用電離率來表示，有如下經(jīng)驗公式：

式中a、b、n均為常數(shù)。

2.3.1.1晶閘管阻斷模式

電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）p+n結的電場分布：

將電離率代入雪崩擊穿條件并作變量代換得：積分得到：電子發(fā)燒友電子技術論壇

又偏壓VA

下的空間電荷層寬度為:2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）將Em、Xm的表達式代入x=0的E(x)表達式得:當擊穿發(fā)生時，VA=VB，VB為雪崩電壓，式中n為常數(shù)。這里取n=7，取

電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）則上式可簡化為:Nb

為硅的摻雜濃度當時，通?？扇〕?shù)C≈100，常數(shù)與沿用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式——“GE公式”完全相同。

當Wn≥Xm時得到的是雪崩電壓電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）穿通電壓：

當有效基區(qū)寬度隨反向電壓增加而趨近于零時，定義此時p+n結兩端所承受的耐壓為穿通電壓，記為VPT。當Wn≤Xm時得到的是穿通電壓電子發(fā)燒友電子技術論壇(2)晶閘管的阻斷電壓

晶閘管有兩個以上的pn結，J1、J2結的耐壓與單個pn結有何不同？2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）斷態(tài)電壓→J2結反向電壓→J1結電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）由：兩邊同乘n為密勒指數(shù)。可以看到：VBR＜VB

同樣電阻率的材料作整流二極管，其雪崩電壓為VB，而制成晶閘管，其反向阻斷電壓只有VBR。為pnp管的電流放大系數(shù)，它直接影響到VBR

。電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）斷態(tài)電壓：

由J2結承擔，同理有：同樣可以看到：VBF＜

VBR＜VB

為使正、反向電壓對稱，需要a2≒0電子發(fā)燒友電子技術論壇(3)晶閘管的最小長基區(qū)寬度Wn(min)2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）傳統(tǒng)的設計方法：設計電壓指標確定電阻率確定片厚Xm投片后修改→→→←————————∣↑∣未計及a1、a2、擴散長度LP、短基區(qū)寬度等的影響！?。‰娮影l(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）當時，采用優(yōu)化設計方法。引入優(yōu)化比值K

K＝(1－α1)1/n

VB＝VB0/Kρ＝(VB/100)1/0.75Xm＝A(ρVB0)1/2

Wne＝LPcosh-1(1/α1)電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）

思路：由Wne和xm可得到晶閘管長基區(qū)寬度Wn的表達式；對Wn(K)求極值；且有，有極小值存在；令并代入各常數(shù)得到下式：電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）

解上述超越方程可得到α1，依次可求出K、VB、ρ、xm及Wen。所以長基區(qū)寬度為：

Wn＝xm＋Wen

假定一次擴散結深為xjp，則硅片厚為:

δ＝Wn＋2xjp

代入各常數(shù)得到：

(1－α1)2/3＝4.1×103(1/LP)VB07/6α1(1＋α1)1/2

電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）表面電荷對電場的影響:當pn結的低摻雜n區(qū)表面有外來正電荷時，表面空間電荷區(qū)減小；有負電荷存在時，則結表面空間電荷區(qū)增寬。E=V/WS電子發(fā)燒友電子技術論壇

正斜角、負斜角及電場分布

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）面積由高濃度側向低濃度側方向減小的磨角稱正斜角表面空間電荷區(qū)上向彎曲，低摻雜區(qū)的彎曲程度大于高摻雜區(qū)，表面空間電荷區(qū)變寬，表面電場強度下降；面積由低濃度側向高濃度側方向減小的磨角稱負斜角最大電場強度隨負角的增大而直線上升，并可以超過體內(nèi)電場，最大電場強度的位置在高濃度側，并逐步移向pn結。電子發(fā)燒友電子技術論壇（2）結終端技術雙正角和組合斜角造型

2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）雙正角造型

（a）“M槽”結構（b）“V型槽”結構（c）正負斜角造型（d）“臺型”邊緣造型

電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性(續(xù)）場環(huán)結構當主結的電場達到臨界擊穿值以前，讓主結的耗盡層“穿通”到浮動電場環(huán)上。穿通之后的電壓將主要由該浮動電場環(huán)分擔電子發(fā)燒友電子技術論壇

(1)晶閘管的通態(tài)電壓1．體壓降:Vm是Wn/LP的函數(shù)，當Wn/LP≤1時，Vm在pin二極管的總壓降中可以忽略不計。當Wn/LP≥3時，Vm呈指數(shù)增加，遠大于“短”結構時的壓降。通常取Wn≤3LP。2.3.2晶閘管的通態(tài)特性簡化表達：電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.2晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）Wn/LP是體壓降大小的主要標志。要減小體壓降，唯一的方法提高少子壽命或縮短基區(qū)寬度。Vm與J無關。擴散長度隨注入載流子濃度的增加而減小。在注入電平大于1017cm-3，載流子-載流子散射和俄歇復合起著減小La的作用。因而在低電流密度下的“短”結構，在高電流密度下要變?yōu)椤伴L”結構。電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.2晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）

2．結壓降:p+in+結構的結壓降Vj可由載流子濃度分布服從玻爾茲曼分布規(guī)律得到。電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）(2)晶閘管的功率損耗通態(tài)功率損耗PT

斷態(tài)功率損耗PD

開通損耗Pon關斷損耗Poff

門極損耗PG

工頻下PT

是主要的.電子發(fā)燒友電子技術論壇通態(tài)功率損耗PT的簡易算法

2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）

將元件瞬態(tài)正向伏安特性近似看成一直線，該直線與橫軸交點為V0，斜率為1/R,則元件的瞬時通態(tài)電壓可寫為:

V0—通態(tài)伏安特性的起始電壓；

iT—正弦半波電流瞬時值，電子發(fā)燒友電子技術論壇2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）當時,有計算上式得到:電子發(fā)燒友電子技術論壇由瞬態(tài)VA曲線計算由半導體物理，

2.3.1晶閘管的通態(tài)特性(續(xù)）考慮到管芯和電極部分的歐姆接觸電阻R，全部壓降為由實際測得的導通電壓曲線中適當選取三個點，以iT和vT代入上式可求出三個常數(shù).

在周期內(nèi)通態(tài)正弦半波時的平均功率損耗為電子發(fā)燒友電子技術論壇要求掌握的內(nèi)容1.雪崩電壓與穿通效應;