蘇 陶， 劉玉欣， 何曉雄

（合肥工業(yè)大學(xué) 電 子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合 肥 230009）

根據(jù)不同領(lǐng)域的實(shí)際需要，半導(dǎo)體器件以集成電路為代表的微電子器件和以電力電子器件為代表的功率半導(dǎo)體器件兩大類(lèi)快速發(fā)展。電力電子器件的特點(diǎn)是大功率，均具有導(dǎo)通和阻斷2種工作特性。1955年，美國(guó)通用電氣公司發(fā)明了世界上第1個(gè)半導(dǎo)體整流器件硅整流器，1957年又發(fā)明出首個(gè)功率轉(zhuǎn)換和控制的可控硅整流器（SCR）。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，由普通晶閘管相繼衍生出快速晶閘管等一系列晶閘管家族。但是普通晶閘管是半控型器件，不能控制其關(guān)斷，因此在控制功能上有缺陷；此外，普通晶閘管立足于分立元件結(jié)構(gòu)，工作頻率難以提高。從70年代末開(kāi)始，隨著門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）日趨成熟，成功克服了普通晶閘管的缺陷，電力電子器件已進(jìn)入到全控型器件時(shí)代。

門(mén)極換流晶閘管（GCT）是基于GTO開(kāi)發(fā)的一種新型大功率半導(dǎo)體器件。與GTO和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）相比，它既具有GTO的高阻斷能力和低通態(tài)損耗，又具有IGBT的高頻特性。GCT具有損耗低、開(kāi)關(guān)速度快、內(nèi)部機(jī)械部件少、成本低以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［1］。因此可以可靠地用于各種驅(qū)動(dòng)控制、電力變流器以及電機(jī)車(chē)變電站和民用市場(chǎng)。GCT最早是由ABB公司提出的，已經(jīng)形成了系列產(chǎn)品。而國(guó)內(nèi)對(duì)GCT的研究尚處于研發(fā)階段。

GCT的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，需要同時(shí)考慮通態(tài)特性和阻斷特性的影響。本文利用ISE－TCAD軟件［2］模擬了透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)以及柵極數(shù)目對(duì)建立的GCT模型的通態(tài)特性的影響，并對(duì)其進(jìn)行了分析。

1 結(jié)構(gòu)與原理

非對(duì)稱(chēng)型GCT是一個(gè)p＋nn－pn＋的5層結(jié)構(gòu)的晶閘管［3］，如圖1所示。本文選取的模型是以n型材料為襯底，摻雜濃度為1×1014cm－3；p基區(qū)厚度為40μm，峰值摻雜濃度為1×1018cm－3；n＋陰極區(qū)厚度為20μm，峰值摻雜濃度為1×1020cm－3；n型緩沖區(qū)厚度為20μm，峰值摻雜濃度為1×1017cm－3；p＋透明陽(yáng)極厚度為3μm，峰值摻雜濃度為1×1019cm－3。

當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極A和陰極K之間加正向電壓而控制極不加電壓時(shí)，J2處于反向偏置，管子不導(dǎo)通，稱(chēng)為阻斷狀態(tài)。

當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極A與陰極K之間加入正向電壓且柵極G與陰極之間也加入正向電壓時(shí)，J3處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)晶閘管處于觸發(fā)導(dǎo)通過(guò)程。晶閘管一旦導(dǎo)通，柵極就失去控制作用，管子依靠?jī)?nèi)部的正反饋始終維持導(dǎo)通狀態(tài)［4］。

圖1 GCT結(jié)構(gòu)圖

2 模擬與分析

根據(jù)圖1所示的GCT模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)GCT正向通態(tài)特性的影響，并進(jìn)一步對(duì)其關(guān)斷特性進(jìn)行了研究。引入透明陽(yáng)極是為了降低陽(yáng)極發(fā)射極的注入效率，加速器件關(guān)斷時(shí)剩余載流子的恢復(fù)，提高GCT的開(kāi)關(guān)特性。而透明陽(yáng)極的性質(zhì)與該層的雜質(zhì)總量有關(guān)，與雜質(zhì)分布是無(wú)關(guān)的［5］。所以，本文分析透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)從雜質(zhì)總量控制入手。而雜質(zhì)總量取決于透明陽(yáng)極雜質(zhì)濃度與厚度的乘積［6］。

在其他各層結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，透明陽(yáng)極的厚度由3μm增大到15μm。此時(shí)GCT通態(tài)特性如圖2所示，同是陽(yáng)極電壓為2.5V，厚度分別為3、9、15μm 時(shí)，陽(yáng)極電流分別為59、202、345A?？梢钥闯觯S著透明陽(yáng)極厚度的提高，即雜質(zhì)總量增加，導(dǎo)致注入效率變大，n－基區(qū)的通態(tài)壓降變小。

透明陽(yáng)極摻雜峰值濃度對(duì)通態(tài)特性的影響如圖3所示。

圖2 透明陽(yáng)極厚度對(duì)通態(tài)特性的影響

圖3 透明陽(yáng)極摻雜峰值濃度對(duì)通態(tài)特性的影響

圖3顯示在相同透明陽(yáng)極厚度情況下，峰值摻雜濃度由1×1017cm－3增加到1×1019cm－3，同樣在2.5V的條件下，陽(yáng)極電流依次為16、29、59A。由此得出雜質(zhì)總量增加，使得通態(tài)壓降變小。因此，透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化對(duì)改善GCT通態(tài)特性具有重要的意義［7－8］。

圖4所示為3柵極GCT的結(jié)構(gòu)圖，相對(duì)于圖1的模型，此結(jié)構(gòu)只是將n＋區(qū)分開(kāi)，n＋區(qū)的有效寬度及其他參數(shù)均沒(méi)有改變，以達(dá)到只考慮柵極數(shù)目對(duì)通態(tài)特性影響的目的。

由圖5可以看出，柵極數(shù)目對(duì)通態(tài)特性的影響不明顯，在GCT具有2個(gè)柵極、陽(yáng)極電壓為2.5V時(shí)陽(yáng)極電流為59A。當(dāng)GCT有3個(gè)柵極、陽(yáng)極電壓為2.5V時(shí)陽(yáng)極電流為40.7A。隨著柵極數(shù)目的增加，通態(tài)壓降是增加的。這說(shuō)明柵極數(shù)目與透明陽(yáng)極雜質(zhì)總量起著相反的作用，當(dāng)雜質(zhì)總量增加時(shí)，通態(tài)壓降減小。所以在改善GCT通態(tài)特性的設(shè)計(jì)中，可以綜合考慮這2個(gè)方面的因素。

圖4 具有3柵極結(jié)構(gòu)的GCT

圖5 柵極數(shù)目對(duì)通態(tài)特性的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在TCAD基礎(chǔ)上利用建立的GCT器件模型研究了透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)和柵極門(mén)數(shù)量對(duì)GCT通態(tài)特性的影響。模擬結(jié)果表明，透明陽(yáng)極雜質(zhì)總量和柵極數(shù)目對(duì)GCT通態(tài)特性起著相互制約的作用，透明陽(yáng)極雜質(zhì)總量是決定GCT通態(tài)壓降的關(guān)鍵因素。通過(guò)協(xié)調(diào)透明陽(yáng)極的峰值摻雜濃度和厚度以及柵極的數(shù)目，可以改善GCT的通態(tài)特性。本文研究成果對(duì)GCT的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)具有重要的參考價(jià)值。

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［5］ 吳春瑜，朱長(zhǎng)純，王 穎，等.緩沖層與透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)GCT通 態(tài) 特 性 的 影 響 ［J］.電 子 器 件，2006，29（4）：989－991.

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［8］ 王彩琳，高 勇，馬 麗，等.門(mén)極換流晶閘管透明陽(yáng)極的機(jī)理與特性分析［J］.物理學(xué)報(bào)，2005，54（5）：2296－2300.