2.3-动态特性

12.3.3晶闸管的动态特性(第五讲)2.3晶闸管的主要特性2晶闸管的动态特性晶闸管在由开到关或由关到开的转变过程中的状态称为动态。动态特性分为：晶闸管的开通特性晶闸管的dv/dt耐量晶闸管的di/dt耐量晶闸管的关断特性31.晶闸管开通特性开通条件：α1+α2≥1其导通不是立刻完成的；开通时间:定义元件由“断态”到“通态”的时间为开通时间，用ton表示，则ton=td+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA4晶闸管开通特性（续）延迟时间td——规定IG上升到50%起到晶闸管的阳极电流上升到额定值的10%为止这一段时间。上升时间tr——规定阳极电流由10%上升到90%所需的时间。扩展时间ts——阳极电流由90%IA上升到额定值，元件由局部导通扩展到全面积导通。5晶闸管开通特性（续）临界电荷量：在短基区积累的使元件导通的少子电量。当超过这一数值后，只要再输入一点电流，阳极电流就会雪崩式的增长直至开通。开通过程的半定量分析6晶闸管开通特性（续）由晶体管原理可以证明，当基区杂质为指数分布，发射极电流为Ie时，基区中积累的电子电荷是:式中，p(0)为J3结p2侧的杂质浓度,p(Wpe)为J2结p2侧的杂质浓度.取Ie=IL(擎住电流)，有:式中，221pebenWeQID)()0(lnpeWpppeLnpeLcrtIDWIQ52npepeDWt527晶闸管开通特性（续）强触发对ton的影响：强触发会使延迟时间大大缩短；影响开通过程的因素8晶闸管开通特性（续）阳极电流、电压及温度对ton的影响IA增加，td基本不变，tr略有增加；T增加，td减小而tr增加92.晶闸管的di/dt耐量当晶闸管不论被何种方式引起以后，其导通不是立刻完成的。开通后等离子体有一个扩展过程，扩展速度为0.03-0.1mm/μs。(1)问题的提出121以侧门极结构为例，若阴极内侧的半径为3.5mm，扩展速度以0.1mm/μs计，扩展1μs的导通面积约为0.01mm2,假定电路的di/dt为10A/μs,则开通时的电流密度可达每cm2几万安培。10晶闸管的di/dt耐量（续）di/dt耐量---在指定电压下，每个器件都有一允许的di/dt额定值，即di/dt耐量。由于硅的比热很小，热容量不大，硅的热传导率也很小，因此电流通道中只有很少的热被传导出去，从而电流通道中的温度会迅速上升，造成硅pn结局部的迅速熔化。红外观测器件的导通扩展11晶闸管的di/dt耐量（续）常见的di/dt失效放电应用；雷电浪涌；短路电流；中频或高频应用12晶闸管的di/dt耐量（续）研究扩散速度的理论模式等离子模式横向电场模式(2)扩展模型13晶闸管的di/dt耐量（续）等离子模式:将初始传导看作大注入过程，即P2区包含相等密度的电子和空穴，基本上对外呈中性。就可以把等离子体的传播当作一个纯扩散过程来研究。当时，v=0。当稍大于时，v随上升的电流密度大约按增加。当时，有：触发区剩余载流子浓度：临界剩余载流子浓度4/1)(crnranqWJtDvcrstnn2stncrncrstnn2crstnn2＝Jv14晶闸管的di/dt耐量（续）横向电场模式:认为在这一过程中，由于大多数载流子从门极传输到阴极边缘，所以建立起一个侧向电场，即可把传导扩散当作侧向电场引起的漂移过程。15晶闸管的di/dt耐量（续）侧向电场图象：晶闸管等效为两部分，用二极管和电容表示pn结，R1、R2分别是p2基区和n1基区的横向电阻。当在AK间加400伏正向阻断电压由J2结承担；当图中所示局部一旦导通，导通区域的正向压降若为2V，则整个AK间电压变为2V；电压的这一变化引起第二个变化，J2结电容原充电至400V，此时要通过R2、J2结导通部分、R1而放电。这样在p2区和n1区产生了横向电场；p2区堆积的空穴和n1区堆积的电子在该横向电场的作用下都从左向右扩展。随着J2结预先所加反偏压越大,横向扩展速度越快。16晶闸管的di/dt耐量（续）•Matsuzawa由红外显象技术或微波反射技术测量扩展速度的试验结果表明：v，为基区内的平均少子寿命；v；v(J)1/n，式中J为电流密度、n=2～3；2/1)(nW117晶闸管的di/dt耐量（续）防止di/dt破坏失效的两个方面：应用方面：强触发；串电感以抑制电路的di/dt。器件方面：提高载流子扩展速度——强触发；增大初始导通边长。边长比≥12(边长比:主晶闸管初始触发边长/放大门极初始触发边长)18晶闸管的di/dt耐量（续）提高di/dt耐量的措施:增强触发电流场引进结构再生门极结构放大门极结构渐开线结构19晶闸管的di/dt耐量（续）•提高di/dt耐量的措施:场引进结构：图中B处圆弧为一高阻槽，槽左侧为一小晶闸管。晶闸管开通时，小晶闸管先开通，形成B(+)到D(-)的高电场，促使晶闸管迅速开通。这一原理称为F－I原理20晶闸管的di/dt耐量（续）•提高di/dt耐量的措施:再生门极结构：通过金属接触M1把门极附近在横向场中形成的电压分接到M2，M1和M2同时形成比阴极高的电压，使附近的n2发射极强烈处于正向偏置，通过F－I原理产生越来越大的门极电流，促使晶闸管开通。21晶闸管的di/dt耐量（续）提高di/dt耐量的措施:放大门极原理：当RgoRg1时，辅助晶闸管T1先开通，形成C(+)D(-)强电场，开通晶闸管。必须注意：防止T1开通之前T2过早开通。可以通过严格控制RgoRg1,或使T1转折电压T2的Vbf22晶闸管的di/dt耐量（续）采用放射状中心放大门极和内外环放大门极结构来延长初始导通边长。主晶闸管导通边长与放大门极导通边长之比大于12，放大门极与阴极间槽电阻大于1Ω。通过控制主晶闸管初始触发周边与放大门极初始触发周边之比、放大门极至阴极之间的等效横向电阻来调整和改善di/dt特性；23晶闸管的di/dt耐量（续）•渐开线结构2/120)1(rr图中的圆半径为r0。渐开线ABC的极坐标为：DEF的极坐标为：例如由36个指条状门极和阴极构成的渐开线结构，使晶闸管的耐量提高了25倍，达到1000A/us，但由于发射周长增加，Ig需增加10倍，故常采用放大门极开启。2/120])(1[rr24晶闸管的di/dt耐量（续）di/dt容量的估算25晶闸管的di/dt耐量（续）1212121ln112rrttrrtrrtVTnvcddtdiononononA如果忽略热传导，单个脉冲引起的结温升为：ontdtctzyxPT0),,,(式中为热功当量，，代入上式计算得：卡/18.4J式中c=0.162卡/克·℃——硅的比热；ρ=2.33g/cm3——硅的密度；n=2.06；v——扩展速度d——Si片厚度263.晶闸管dv/dt耐量瞬变条件下，阻断晶闸管在转折电压下能够转变为正向传导状态，晶闸管特性退化程度取决于阳极电压的大小和它增长的速度。这一现象称之为上升速率效应或dv/dt效应。dv/dt定义：在额定结温、门极断路和正向阻断条件下，元件在单位时间内所能允许上升的正向电压。若电压是直线上升的，则可表示为：tVVdtdvDFDF1.09.027晶闸管dv/dt耐量（续）当一个迅速上升的电压加到晶闸管上，随着J2结电压vj2的变化，在J2结电容上产生位移电流ID：短路发射极原理：dtdCIjDv2其原理是基于横向电阻效应。当电流较小时，通过J2结的电流直接从p2区经短路点流向阴极欧姆接触。由于没有电流经J3结，所以J3结向p2区注入的电子很少、a2很小；当电流继续增大，电流在p2区横向流动就会在基区产生一定的电压降落，此电压使远离短路点部分的电位提高，该部分J3结的正向电压V3增大。28晶闸管dv/dt耐量（续）提高dv/dt耐量的方法减小结电容以减小位移电流增加长基区宽度以减小减小降低发射极注入效率采用短路发射结构以减小位移电路引起的正向转折电压下降np、29晶闸管dv/dt耐量（续）短路发射极结构的半定量计算根据引起的位移电流在结造成的压降应小于开放电压、使α2≈0这一条件，可以估算出一确定器件的dv/dt耐量。1ln216v220dDDdRCSVdtdSD30晶闸管dv/dt耐量（续）式中C0为J2结电容，S为J2结面积。K为短路系数由上式可看出：（1）要获得大的dv/dt，则短路系数要小，因而D和d都必须小，可见密而小的短路发射极对耐量的提高是有利的。（2）Rs为有效p基区的薄层电阻，Rs过大会影响短路效果，不利于dv/dt耐量的提高。1ln222dDDdK314.晶闸管关断特性关断过程就是积累的非平衡载流子的消失过程，为了使晶闸管在导通以后重新获得正向阻断能力，非平衡载流子的浓度必须下降到比临界存储电荷小的程度，这一过程需要一定的时间，称为关断时间。定义为电流过零到重加正向电压过零这一段时间，用toff表示。普通晶闸管的关断时间约几百微秒32晶闸管关断特性（续）关断瞬态的“反向电流、正向偏置”可以用贮存电荷加以说明：由于p2区的杂质浓度远高于n1区，J2结又为正向结，故p2区空穴将向n1区注入，而n1区的电子却不易向p2区注入，这样在长基区中尽管空穴可以从J1结流走，但又得到了p2区注入空穴的补充，电子又不易向p2区输出，因此长基区的载流子消失很慢。加上一负的门极电流，抽走p2区的过剩电荷，储存时间将大大缩短，关断速度可以加快。33晶闸管关断特性（续）前已述，晶闸管在电路中关断的条件是回路电流要小于IH，如果关断时“拖尾电流”长，某一时段后仍有大于IH的电流，则晶闸管关断失败。减小关断时间的措施：HFmpoffIItln34晶闸管关断特性（续）toff与内部参数的关系35晶闸管关断特性（续）toff与外部参数的关系:随结温的增加而增加，主要是因为τp随温度增加而增加;随反向电压的增加而减小;随通态电流的增加而增加.36晶闸管关断特性（续）基区少子寿命控制技术:少子寿命控制方法：把某种在硅的禁带中显示深能级的杂质扩散到硅中采用高能粒子轰击采用磷或硼吸收的作用，控制器件中的金的浓度分布采用电子辐照或γ射线辐照37晶闸管关断特性（续）基区少子寿命控制技术:采用磷或硼吸收的作用，控制器件中的金的浓度分布原理：J2结附近基区内的载流子寿命与toff密切相关,而其它结区的寿命对toff影响不大此技术可大大改善toff与通态电压的制约关系，同时大幅减小反向漏电流38晶闸管关断特性（续）基区少子寿命控制技术:toff与通态电压的关系39晶闸管关断特性（续）基区少子寿命控制技术:采用电子辐照或γ射线辐照与硅衬底缺陷无关，可实现少子寿命的均匀控制控制方法：（1）重金属扩散或电子线辐照缺点：使硅基体整体产生缺陷（2）高能质子或氦离子辐照优点：可以控制晶格缺陷深度，同一平面内少子寿命分布均匀，从而使晶闸管通态电压与关断时间、反向恢复电荷量之间获得最佳协调40晶闸管关断特性（续）基区少子寿命控制技术:辐照技术的优点：辐照工作可以在器件制造完工并经测试后在室温下进行。辐照处理可以采用累加辐照的方法，至调整到欲得到的值为止。把器件加热到400℃以上可以把辐照损伤去掉，使过剂量辐照器件复原。寿命值可以用辐照剂量来控制，可以控制复合中心密度，因而使器件参数分布更加一致。同杂质扩散相比，辐照过程简单、清洁，可以避免任何沾污。41本节要求掌握的内容：晶闸管的动态参数指的是哪几项?如何定义的。掌握短路发射极原理、放大门极原理，并会画放大门极原理图。如何提高器件的速度特性？如何协调器件的断态、通态和动态特性？42THEEND