晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)課件

2.3.3晶閘管的動(dòng)態(tài)特性(第五講)2.3晶閘管的主要特性晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)晶閘管的動(dòng)態(tài)特性晶閘管在由開(kāi)到關(guān)或由關(guān)到開(kāi)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中的狀態(tài)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)。動(dòng)態(tài)特性分為：晶閘管的開(kāi)通特性晶閘管的dv/dt耐量晶閘管的di/dt耐量晶閘管的關(guān)斷特性晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)1.晶閘管開(kāi)通特性開(kāi)通條件：α1+α2≥1

其導(dǎo)通不是立刻完成的；開(kāi)通時(shí)間:

定義元件由“斷態(tài)”到“通態(tài)”的時(shí)間為開(kāi)通時(shí)間，用ton表示，則ton=td+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)晶閘管開(kāi)通特性(續(xù)）延遲時(shí)間td——規(guī)定IG上升到50%起到晶閘管的陽(yáng)極電流上升到額定值的10%為止這一段時(shí)間。上升時(shí)間tr——規(guī)定陽(yáng)極電流由10%上升到90%所需的時(shí)間。擴(kuò)展時(shí)間ts——陽(yáng)極電流由90%IA上升到額定值，元件由局部導(dǎo)通擴(kuò)展到全面積導(dǎo)通。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)晶閘管開(kāi)通特性(續(xù)）

臨界電荷量：在短基區(qū)積累的使元件導(dǎo)通的少子電量。當(dāng)超過(guò)這一數(shù)值后，只要再輸入一點(diǎn)電流，陽(yáng)極電流就會(huì)雪崩式的增長(zhǎng)直至開(kāi)通。開(kāi)通過(guò)程的半定量分析晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)晶閘管開(kāi)通特性(續(xù)）由晶體管原理可以證明，當(dāng)基區(qū)雜質(zhì)為指數(shù)分布，發(fā)射極電流為Ie時(shí)，基區(qū)中積累的電子電荷是:式中，p(0)為J3結(jié)p2側(cè)的雜質(zhì)濃度.取Ie=IL

(擎住電流)，有:式中，晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)晶閘管開(kāi)通特性(續(xù)）強(qiáng)觸發(fā)對(duì)ton的影響：

強(qiáng)觸發(fā)會(huì)使延遲時(shí)間大大縮短；

影響開(kāi)通過(guò)程的因素晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)晶閘管開(kāi)通特性(續(xù)）陽(yáng)極電流、電壓及溫度對(duì)ton的影響隨著電壓增高，J2結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)展使有效基區(qū)寬度減小，因此存貯電荷下降。

由可知觸發(fā)延遲時(shí)間縮短。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量當(dāng)晶閘管不論被何種方式引起以后，其導(dǎo)通不是立刻完成的。開(kāi)通后等離子體有一個(gè)擴(kuò)展過(guò)程，擴(kuò)展速度為0.03-0.1mm/μs。

(1)問(wèn)題的提出

以側(cè)門(mén)極結(jié)構(gòu)為例，若陰極內(nèi)側(cè)的半徑為3.5mm，擴(kuò)展速度以0.1mm/μs

計(jì)，擴(kuò)展1μs

的導(dǎo)通面積約為1mm2,假定電路的di/dt為100A/μs,則開(kāi)通時(shí)的電流密度可達(dá)每cm2近萬(wàn)安培。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）di/dt耐量---在指定電壓下，每個(gè)器件都有一允許的di/dt額定值，即di/dt耐量。由于硅的比熱很小，熱容量不大，硅的熱傳導(dǎo)率也很小，因此電流通道中只有很少的熱被傳導(dǎo)出去，從而電流通道中的溫度會(huì)迅速上升，造成硅pn結(jié)局部的迅速熔化。紅外觀(guān)測(cè)器件的導(dǎo)通擴(kuò)展晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）常見(jiàn)的di/dt失效放電應(yīng)用；雷電浪涌；短路電流；中頻或高頻應(yīng)用晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）研究擴(kuò)散速度的理論模式等離子模式橫向電場(chǎng)模式(2)擴(kuò)展模型晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）等離子模式:將初始傳導(dǎo)看作大注入過(guò)程，即P2區(qū)包含相等密度的電子和空穴，基本上對(duì)外呈中性。就可以把等離子體的傳播當(dāng)作一個(gè)純擴(kuò)散過(guò)程來(lái)研究。當(dāng)時(shí)，v=0。當(dāng)稍大于時(shí)，v隨上升的電流密度大約按增加。當(dāng)時(shí)，有

:觸發(fā)區(qū)剩余載流子濃度

:臨界剩余載流子濃度晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）橫向電場(chǎng)模式:

認(rèn)為在這一過(guò)程中，由于大多數(shù)載流子從門(mén)極傳輸?shù)疥帢O邊緣，所以建立起一個(gè)側(cè)向電場(chǎng)，即可把傳導(dǎo)擴(kuò)散當(dāng)作側(cè)向電場(chǎng)引起的漂移過(guò)程。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）側(cè)向電場(chǎng)圖象：晶閘管等效為兩部分，用二極管和電容表示pn結(jié)，R1、R2分別是p2基區(qū)和n1基區(qū)的橫向電阻。當(dāng)在AK間加400伏正向阻斷電壓由J2結(jié)承擔(dān)；

當(dāng)圖中所示局部一旦導(dǎo)通，導(dǎo)通區(qū)域的正向壓降若為2V，則整個(gè)AK間電壓變?yōu)?V；電壓的這一變化引起第二個(gè)變化，J2結(jié)電容原充電至400V，此時(shí)要通過(guò)R2、J2結(jié)導(dǎo)通部分、R1而放電。這樣在p2區(qū)和n1區(qū)產(chǎn)生了橫向電場(chǎng)。p2區(qū)堆積的空穴和n1區(qū)堆積的電子在該橫向電場(chǎng)的作用下都從左向右擴(kuò)展。隨著J2結(jié)預(yù)先所加反偏壓越大。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）Matsuzawa由紅外顯象技術(shù)或微波反射技術(shù)測(cè)量擴(kuò)展速度的試驗(yàn)

結(jié)果表明：v

(J)1/n，式中J為電流密度、n=2～3；v

，為基區(qū)內(nèi)的平均少子壽命；v

。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）防止di/dt破壞失效的兩個(gè)方面：

應(yīng)用方面：強(qiáng)觸發(fā)；串電感以抑制電路的di/dt。器件方面：提高載流子擴(kuò)展速度——強(qiáng)觸發(fā)；增大初始導(dǎo)通邊長(zhǎng)。邊長(zhǎng)比≥12(邊長(zhǎng)比:主晶閘管初始觸發(fā)邊長(zhǎng)/放大門(mén)極初始觸發(fā)邊長(zhǎng))晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量提高di/dt耐量的措施:增強(qiáng)觸發(fā)電流場(chǎng)引進(jìn)結(jié)構(gòu)再生門(mén)極結(jié)構(gòu)放大門(mén)極結(jié)構(gòu)漸開(kāi)線(xiàn)結(jié)構(gòu)晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）提高di/dt耐量的措施:場(chǎng)引進(jìn)結(jié)構(gòu)圖中B處圓弧為一高阻槽，槽左側(cè)為一小晶閘管。晶閘管開(kāi)通時(shí)，小晶閘管先開(kāi)通，形成B(+)到D(-)的高電場(chǎng)，促使晶閘管迅速開(kāi)通。這一原理稱(chēng)為F－I原理晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）提高di/dt耐量的措施:再生門(mén)極結(jié)構(gòu)通過(guò)金屬接觸M1把門(mén)極附近在橫向場(chǎng)中形成的電壓分接到M2，M1和M2同時(shí)形成比陰極高的電壓，使附近的n2發(fā)射極強(qiáng)烈處于正向偏置，通過(guò)F－I原理產(chǎn)生越來(lái)越大的門(mén)極電流，促使晶閘管開(kāi)通。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)

2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）提高di/dt耐量的措施:放大門(mén)極原理：當(dāng)Rgo>Rg1時(shí)，輔助晶閘管T1先開(kāi)通，形成C(+)D(-)強(qiáng)電場(chǎng)，開(kāi)通晶閘管。必須注意：防止T1開(kāi)通之前T2過(guò)早開(kāi)通?？梢酝ㄟ^(guò)嚴(yán)格控制Rgo>Rg1,或使T1轉(zhuǎn)折電壓<T2的Vbf晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）采用放射狀中心放大門(mén)極和內(nèi)外環(huán)放大門(mén)極結(jié)構(gòu)來(lái)延長(zhǎng)初始導(dǎo)通邊長(zhǎng)。主晶閘管導(dǎo)通邊長(zhǎng)與放大門(mén)極導(dǎo)通邊長(zhǎng)之比大于12，放大門(mén)極與陰極間槽電阻大于1Ω。通過(guò)控制控制主晶閘管初始觸發(fā)周邊與放大門(mén)極初始觸發(fā)周邊之比、放大門(mén)極至陰極之間的等效橫向電阻來(lái)調(diào)整和改善di/dt特性；晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量（續(xù)）漸開(kāi)線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖中的圓半徑為r0。漸開(kāi)線(xiàn)ABC的極坐標(biāo)為：DEF的極坐標(biāo)為：例如有36個(gè)指條狀門(mén)極和陰極構(gòu)成的漸開(kāi)線(xiàn)結(jié)構(gòu)，使晶閘管的耐量提高了25倍，達(dá)到1000A/us，但由于發(fā)射周長(zhǎng)增加，Ig需增加10倍，故常采用放大門(mén)極開(kāi)啟。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）di/dt容量的估算晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)2.晶閘管的di/dt耐量(續(xù)）如果忽略熱傳導(dǎo)，單個(gè)脈沖引起的結(jié)溫升為：式中為熱功當(dāng)量，，代入上式計(jì)算得：式中c=0.162卡/克·℃——硅的比熱；

ρ=2.33g/cm3——硅的密度；n=2.06；

v——擴(kuò)展速度d——Si片厚度晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量

瞬變條件下，阻斷晶閘管在轉(zhuǎn)折電壓下能夠轉(zhuǎn)變?yōu)檎騻鲗?dǎo)狀態(tài)，晶閘管特性退化程度取決于陽(yáng)極電壓的大小和它增長(zhǎng)的速度。這一現(xiàn)象稱(chēng)之為上升速率效應(yīng)或dv/dt效應(yīng)。

dv/dt定義：在額定結(jié)溫、門(mén)極斷路和正向阻斷條件下，元件在單位時(shí)間內(nèi)所能允許上升的正向電壓。若電壓是直線(xiàn)上升的，則可表示為：

晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）當(dāng)一個(gè)迅速上升的電壓加到晶閘管上，隨著J2結(jié)電壓vj2的變化，在J2結(jié)電容上產(chǎn)生位移電流ID

：短路發(fā)射極原理：其原理是基于橫向電阻效應(yīng)。當(dāng)電流較小時(shí)，通過(guò)J2結(jié)的電流直接從p2區(qū)經(jīng)短路點(diǎn)流向陰極歐姆接觸。由于沒(méi)有電流經(jīng)J3結(jié)，所以J3結(jié)向p2區(qū)注入的電子很少、a2很?。?/p>

當(dāng)電流繼續(xù)增大，電流在p2區(qū)橫向流動(dòng)就會(huì)在基區(qū)產(chǎn)生一定的電壓降落，此電壓使遠(yuǎn)離短路點(diǎn)部分的電位提高，該部分J3結(jié)的正向電壓V3增大。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）提高dv/dt耐量的方法減小結(jié)電容以減小位移電流增加長(zhǎng)基區(qū)寬度以減小減小降低發(fā)射極注入效率以減小小電流下的r1、r2采用短路發(fā)射結(jié)構(gòu)以減小位移電路引起的正向轉(zhuǎn)折電壓下降晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)的半定量計(jì)算根據(jù)引起的位移電流在結(jié)造成的壓降應(yīng)小于開(kāi)放電壓、使這一條件，可以估算出一確定器件的耐量。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)3.晶閘管dv/dt耐量(續(xù)）式中C0為J2結(jié)電容，S為J2結(jié)面積。K為短路系數(shù)

由上式可看出：（1）要獲得大的，則短路系數(shù)要小，因而D和d都必須小，可見(jiàn)密而小的短路發(fā)射極對(duì)耐量的提高是有利的。（2）Rs為有效p基區(qū)的薄層電阻，Rs

過(guò)大會(huì)影響短路效果，不利于dv/dt耐量的提高。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性關(guān)斷過(guò)程就是積累的非平衡載流子的消失過(guò)程，為了使晶閘管在導(dǎo)通以后重新獲得正向阻斷能力，非平衡載流子的濃度必須下降到比臨界存儲(chǔ)電荷小的程度，這一過(guò)程需要一定的時(shí)間，稱(chēng)為關(guān)斷時(shí)間。定義為電流過(guò)零到重加正向電壓過(guò)零這一段時(shí)間，用toff表示。普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）關(guān)斷瞬態(tài)的“反向電流、正向偏置”可以用貯存電荷加以說(shuō)明：由于p2區(qū)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于n1區(qū)，J2結(jié)又為正向結(jié)，故p2區(qū)空穴將向n1區(qū)注入，而n1區(qū)的電子卻不易向p2區(qū)注入，這樣在長(zhǎng)基區(qū)中盡管空穴可以從J1結(jié)流走，但又得到了p2區(qū)注入空穴的補(bǔ)充，電子又不易向p2區(qū)輸出，因此長(zhǎng)基區(qū)的載流子消失很慢。加上一負(fù)的門(mén)極電流，抽走p2區(qū)的過(guò)剩電荷，儲(chǔ)存時(shí)間將大大縮短，關(guān)斷速度可以加快。晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）

前已述，晶閘管在電路中關(guān)斷的條件是回路電流要小于IH，如果關(guān)斷時(shí)“拖尾電流長(zhǎng)，某一時(shí)段后仍有大于IH的電流，則晶閘管關(guān)斷失敗。減小關(guān)斷時(shí)間的措施：晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）toff與其它參量的關(guān)系與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）toff與其它參量的關(guān)系:與外部運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系隨結(jié)溫的增加而增加，主要是因?yàn)殡S溫度增加而增加;隨反向電壓的增加而減小;隨通態(tài)電流的增加而增加.晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性基區(qū)少子壽命控制技術(shù):

少子壽命控制方法：把某種在硅的禁帶中顯示深能級(jí)的雜質(zhì)擴(kuò)散到硅中采用高能粒子轟擊采用磷或硼吸收的作用，控制器件中的金的濃度分布采用電子輻照或γ射線(xiàn)輻照晶閘管動(dòng)態(tài)特性(5)4.晶閘管關(guān)斷特性(續(xù)）基區(qū)少子壽命控制技術(shù):采用磷或硼吸收的作用，控制器件中的金的濃度分布原理：J2結(jié)附近基區(qū)內(nèi)的載流子壽命與toff密切相關(guān),而其它結(jié)區(qū)的壽命對(duì)toff影響不大此技術(shù)可大大改善toff與通態(tài)電壓的制約關(guān)系，同時(shí)大幅減小反向漏電流晶閘管動(dòng)態(tài)特性