（微电子学与固体电子学专业论文）门极换流晶闸管（gct）关键技术的研究.pdf

摘要 门极换流晶闸管( g c t ) 关键技术的研究 学科：微电子学与固体电子学 作者：王彩琳签名： 导师：高勇签名： 答辩日期：2 0 0 7 年2 月 摘要 职称：教授 门极换流晶阐管( g c d 是在g t o 的基础上开发的一种新型大功率半导体器件，有广阔应用的前景， 目前在国内尚属空白本文系统地分析了c , c r 与g t o 在结构、原理和特性以及制作工艺等方面的差 异。从p 基区、n 场阻止( f s ) 层、透明阳极和隔离技术四个方面入手，利用m e d i c i 软件模拟分析了 g c r 的各项特性，提出了兰种改进型结构，并对其关键结构参数进行了优化设计。同时，借助i s e - t c a d 软件分析了g i c r 的制作工艺，对其工艺方案进行了实验验证主要研究内容如下： 首先，研究了g c t 击穿机理，结果表明，g c t 的击穿实质上是场阻止型( 礴) 击穿，并非穿通( p 1 ) 型击穿，从而指出以往对c - c r 击穿机理的认识存在局限性。并在此基础上模拟分析了g c t 的阻断特 性，给出了阻断特性的设计方法及优化的结构参数 第= 。研究了透明阳极的电流输运机理，导出了电子电流密度的表达式，给出发射效率随阳极电 流密度变化的关系。透明阳极与普通阳极和短路阳极的特性比较表明采用透明阳极可以明显改善器 件的开关特性。 第三，分析了g c r 的结构特点和制作工艺。结果表明。采用常规工艺很难实现透明阳极、f s 层 及p 基区选择性的深扩散。并且，由于r c - g c - t 中存在结的弯曲效应，使阻断电压下降。针对这些问 题，分别提出了注入效率可控的田c o c t 结构、沟槽隔离r c - g c r 和带p 扩散环隔离r c - - g c f 三种 改进结构，不仅可以改善g c r 器件的特性，而且可以简化其制作工艺。 第四，分析了g c t 与g t o 关断机理的差异。提出了一个新的o c t 门阴图形的设计方法。与现 有的门阴极结构相比较，采用新方法设计的门一阴图形在保证开关过程中电流均匀分布的前提下，可 以显著增加g c t 的阴极有效箍积，减小热阻，提高电流容量。 第五，通过工艺分析与模拟，确定了r c - g c t 的工艺方案，对带f s 层、透明阳极和沟槽隔离的 2 5 0 0 v 2 0 0 0 a r c - g c t 进行了实验验证，测试结果表明工艺方案可行。提出制作透明阳极和nf s 层的 工艺新方法，并根据工艺模拟和实验结果确定了a - g c t 的工艺实施方案。 最后，研究了r c - c ，c r 中的少子寿命控制问题，指出采用电子辐照和质子辐照相结合的方法可有 效控制其中的少子寿命，进一步优化r c - g c t 器件的特性。并结合s d b 技术在新型电力半导体器件 中的应用方法，提出用s d b 技术简化g c t 制作工艺的新思路。 本文对c , c t 关键技术的研究成果，对开发国产亿c , c r 器件具有较高的指导意义和实际应用价值。 关键词t 门极换流晶闸管，透明阳极，场阻止层，隔离技术，门阴极图形，硅硅直接键合 本研究获得省教育厅专项科研计划项目和西安理工大学优秀博士生科研基金与科技计划项目资助 r e s e a r c ho nk e yt e c h n l q u e so fg a t ec o m m u l ：p 汀e d t h y r i s t o r ( g c d m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n d s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s p h d s t u d e n t ：w a n gc a i l i n 叫删钆 岷钆 a b s t r a i c t g a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ( g c t ) i san e wh i g hp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sb a s e do ng a t et u r n - o f f t h y r i s t o r ( g z o ) , g c rh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da n di ti sab l a n ki ni n t e r i o r l yn o v i nt h i st h e s i s ， t h ed 蚰b 峨so fg c ra n dg t oi ns t r u c t u r e 。p r i n c i p l e , c h a r a c t e r i s t i c sa n df a b r i c a t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y i nv i e w so f t h epb a s er e g i o n ，nf i e l ds t o pl a y e r , t r a n s p a r e n ta n o d er e g i o na n di s o l a t i o nr e g i o n ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg c tm a n a l r = db ym e d i c is i m u l a t o r t h et h r e ei m p r o v e ds t r u c t u r e sa r ep r e s e n t e d ， a n dt h eo p t i m u md 皤i 弘o fk e ys t r u c t u r a lp a r a n t t e r si sd o n e s i m u l t a n e o u s l y , t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so fg c t i sa n a l y z e db yi s e - t c a ds o f t w a r e ，a n dt h ep $ i m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t r e s u l t s t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l o w s ： f i r s t l y , t h eb r e a k d o w nm e r h a n i s mo fg c r i ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h eb r e a k d o w no fg c ri s f i e l ds t o pf f s ) b r e a k d o w ne s s e n t i a l l y , b u tn o tt h ep u n c ht h r o u g h 口i ) b r e a k d o w n i ti sp o i n t e do u tt h e p e r s p e c t i v ef o rt h eg c f b r e a k d o w nm e c h a n i s mh a dl o c a l i z a t i o na g o a n dt h eb l o c k i n gc h a r a c t e r i s t i co fg c t i ss i m u l a t e da n d 蜘a j y z e d t h ed e s i g nm e t h o da n do p t i m a ls t m c t o r a lp a r a m e t e r sa 北g i v e n s e c o n d l y , t h ec u r r e n tt r a n s p o r tm e c h a n i s mo ft r a n s p a r e n ta n o d ei ss t u d i e d t h ee x p r e s s i o no fe l e c t r o n c u r r e n td e n s i t ya tt r a n s p a r e n ta n o d ea r ed e r i v e d a n dt h ev a r i a t i o n so ft h ee l e c u o na n dh o l ei n j e c t i o n e f f i c i e n c i e so ft r a n s p a r e n ta n o d ew i t ht h ea n o d ec u r r e n td e n s i t y & r eg i v e n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a n s p a r e n t a n o d ei sc o m p a r e dw i t ht h a to fc o n v e n t i o n a la n o d ea n ds h o r fa n o d e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s p a r e n t a n o d eu s e di ng c t c a ni m p r o v et h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c t h i r d l y , t h es m l c 删f e a t u r e sa n df a b r i c a t i o np r o c e s so fg c t a r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e 缸a n s p & r e n ta l l o d e , f sl a y e ra n dt h es e l e c t i v ep - d i f f u s i o na r cd i f f i c u l tt ou s ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s a n d b e c a u s eac u r v a t u r ej u n c t i o ne x i s t si nr c - g c t , i tr e s u l t si nt h ef a l lo ft h eb r e a k d o w nv o l t a g eo fd e v i c e , a n d t h e 缸r e a s eo ft h ec o s ta n dt h ec o m p l e x i t yo ff a b r i c a t i o np r o c e s so fr c - g c td e v i c e i no r d e rt os o l v et h e s e 西安g y - 大学博士学位论文 p r o b l e m s , t h r e ei m p m v e ds t r u c t u r e s , t h a ti s ，a l li n j e c t i o ne f f i c i e n c y 怕n e d ( 匝c ) g c ts t r u c t u r e , at r e n c h i s o l a t i o nr c - g c - ws t r u c t u r ea n dan c wi s o l a t i o nw i t hpd i f f u s i o nr i n gr c - g c i s t r i l c t a r eh a v e b e e np r e s e n t e d ， w h i c hc a nn o to n l yi m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fg c r ib u ta l s os i m p l i f yt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s f o u r t h l y , t h ec o m m u t a t i o nm e c h a n i s mo fg c ta n dg t od u r i n gt u r n - o f fa a n a l y z e d an c a w d e s i g n m e t h o d o f g a t e - c a t h o d e l a y o u t o f g c tj s p r e s e n t e d c o m p a r e d w i t h t h ee x i s t i n g m e t h o d ，t h e n e w m e t h o dc a l l i n c r e a s e t h e e f f e c t i v ec a t h o d ea m o f g c t , d e c r e a s e t h e t h e r m a lr e s i s t a n c e a n d i m p r o v e t h e c u r r e n t c a p a b i l i t y u n d e rt h ep r e c o n d i t i o no f e n s u r i n gt h ec u r r e n tu l h f o r h id i s t r i b u t i o nd u r i n gt u r no f f f i f t h l y , t h ep m c e s si m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fr c - g c ti s d e t e r m i n e db yt h ep r o c e s sa n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n ，a n da2 5 0 0 v 2 0 0 0 ar c - g c rw i t haf sl a y e r , t r a n s p a r e n ta n o d ea n db e n c h i s o l a t i o ni s e x p e r i m e n t e d a n dt h et e s tr e s u l t sv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fp r o c e s ss c h e m e t h en 钾p r o c e s sm e t h o d so f t r a n s p a r e n ta n o d ea n dn f sl a y e ra r ep r e s e n t e d , a n do nt h eb a s i so ft h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t f o rs i n g l e - s t e pp r o c e s s , t h ep r o c e s si m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h ca s y m m e t r yg c ri sd e t e r m i n e d l a s t l y , t h em i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ec o n t r o li nr c - g c 了i ss t u d i e d i ti sp o i n t e dc m tt h a tt h em i n o r i t y c 村l i e rl i f e t i m ec 蛆b ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb yt h ec o m b i n a t i o no ft h ee l e c 灯o ni r r a d i a t i o na n dp r o t o n i r r a d i a t i o n a n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so fr c - g c tc a nb eo p t i m i z e df l l 州h c la d d i t i o n a l l y , t os i m p t i f yt h e f a b r i c a t i o np r o c e s so fg c tan 删c o n c e p ta n di d e a so fs i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ( s d b ) u s e di nt h ei g c tc h i p s m p r e s e n t e db a s e do nt h en e wa p p l i c a t i o nm e t h o d so ft h es d bt e c h n i q u ei n t h en e wp o w e re l e c t r o n i c d e v i c e s t h er e s e a r c hr e s u l t sf o rt h ek e yt e c h n i q u e so fg c ti nt h i st h e s i sw i l lt a k ea ni m p o i t a n tg u i d a n c e s i g n i f i c a n c e a n d p r a c t i c a la p p h c a t i o n v a l u e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f n a t i o n a l g c t k e y w o r d s ：g a t ec o m m u t a t e dt h y r l s t o r ( g r c nt r a n s p a r e n ta n o d e ，f i e l ds t o pl a y e r , i s o l a t i o nt e c h n i q u e ， g a t e - c a t h o d el a y o u t , s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ( s d b ) 主要符号表 主要符号表 符号单位 名称及定义 j 阳极电流密度 l a c m 2电子电流密度 j p 空穴电流密度 i a 阳极电流 i g a 门极电流 k 阴极电流 i 删 g i 田的最大可关断阳极电流 u o 门极电压 u g 门阴极间的电压差 u a x 阳阴极电压 u b p j 3 门- 阴结0 3 ) 的击穿电压 u f v 通态压降 u e x g c t 的阻断电压 一 u b d 二极管的反向阻断电压 u e c n , r n i t 结构的阻断电压 u e o q 3 p 1 结构的阻断电压 u d s m ，u d p , m 断态不重复峰值电压，断态重复峰值电压 l 咀，k 电子的扩散长度。空穴的扩散长度 l j p 基区的横向扩散深度 w d门- 阴极结( j 3 ) 反偏压下n 基区耗尽层的展宽 w mp n 结在n 基区的耗尽区宽度 w x pp n 结在p 基区的耗尽区宽度 w s 隔离区的宽度 w i 沟槽区的宽度 d t 沟槽区的深度 w rp 隔离环的宽度 s | p 隔离环与p 基区的间距 d r 弘m p 隔离环的深度 w t原始硅片厚度 w k阴极区的厚度 w p 2p 基区的厚度 w r n 基区的厚度 w n n 缓冲区的厚度nf s 区的厚度 w p l 透明阳极区的厚度 w矩形阴极指条的宽度 i矩形阴极指条的长度 d 阴极条之间的半间距 西安理工大学博士学位论文 2 h 梯形阴极指条的高度 w 梯形阴极单元的内边宽度 w 井梯形阴极单元的外边宽度 w u 皿 门阴极单元图形内边宽度 w *门阴极单元图形外边宽度 w “覆盖在阳极表面氧化层的宽度 z o x覆盖在阳极表面氧化层的厚度 n zn 2 阴极区的浓度 n p 2p 基区的浓度 n n -n 。基区的浓度 n n n 缓冲区的浓度nf s 区的浓度 n p l c l n - 3 透明阳极区的浓度 n 讲j 3 处的次表面浓度 n n ，l j l 处的次表面浓度 n d衬底材料的掺杂浓度 n l本征载流子浓度( n i ( 3 0 0 x ) = 1 4 5 x 1 0 1 0 ) n c导带有效的状态密度( 2 8 x 1 0 1 9 ) p n ，p p 锄2 n - s电子的迁移率，空穴的迁移率 d n ，d p 矗| s电子的扩散系数，空穴的扩散系数 _ u 血有效复合速率 c m s 1 j 蛆阳极表面复合速率 q p c l n - 2 透明阳极的注入剂量 t i存储时间 t o 嚣 关断时间 岬 t n ，t p 电子寿命，空穴寿命 h i ，h 缺陷峰处的低寿命，拖尾区的载流子寿命 a p n pp n p 晶体管的电流放大倍数( _ a 1 ) a n p mn p n 晶体管的电流放大倍数( = a 2 ) 丫n ，b | 电子注入效率，空穴注入效率 丫透明阳极的注入效率y - - - t p + 7 = l t l硅片有效利用率 c r 硅的相对介电常数( 1 1 鳓 e o f c m 真空电容率( 8 8 5 4 x 1 0 - 1 4 ) pn 。 衬底的电阻率 q c l n p p 2p 基区的平均电阻率 r p k q p 基区横向电阻 l gh门极回路的总电感 k v c ml 晦界电场强度 tk 绝对温度( t = c r r r o ) ，t o = 3 0 0 1 5 ) q c 单元电荷( 1 6 0 2 x 1 0 1 9 ) 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：二至堡峙岁月哆日 学位论文使用授权声明 本人墨聋li i l 蠹导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：薹到堕。导师签名：d 7 年月哆日 1 绪论 1 绪论 现代电力电子技术不论对改造电力、机械、矿冶、交通等传统工业，还是对新的航天、 通信、机器人等高技术产业都至关重要，已迅速发展成为一门独立学科，其应用领域几乎 涉及到国民经济的各个工业部门。电力电子器件作为电力电子技术的一个重要分支，近十 年来取锝了飞速的发展，大大拓宽了电力电子技术的应用范围。特别是随着长江三峡水电 工程的建设，我国电力工业跃上了一个新台阶，损耗较低的直流输电显得尤为重要目前 随着我国电气铁路的发展，高速电机车也开始应用无论是先进的机车，还是电力、信息 技术，都离不开电力电子器件尤其是在开关电源，伺服驱动、感应加热、无功补偿，工 业传动、电焊机、汽车电子、家用电器等领域内，电力电子器件得到了广泛的应用 从发展过程来看，每一代新型电力电子器件的出现，总会带来一场电力电子技术革命 以电力电子器件为核心的现代电力电子装置，虽在整机中的总价值只占2 0 3 0 但它 对提高装置的各项技术性能和指标，起着十分重要的作用。在实际应用中，我们期望任何 一个功率器件都具有理想的静态和动态特性g 即在阻断状态时，能承受高电压，并有很小 的漏电流；在导通状态时，能通过大电流，并有很低的压降；在开关转换时，有很短的开 关时间，能承受高的d i d t 和d v d t ，并具备全控的功能 1 1 电力电子器件的发展现状 自从1 9 5 7 年可控硅问世至今，电力电子器件的研究者为达到上述理想特性做出了不 懈的努力，已取得了令人瞩目的成就。7 0 年代中期大功率晶体管( g t r ) 和门极可关断晶闸 管( g t o ) 的开发，实现了自关断功能，使斩波工作频率扩展到l k h z 以上功率m o s f e t 及静电感应功率器件( s i d s ) 的问世，使功率器件具有场控功能，并进入更高频率的应用。 年代，绝缘栅双极型晶体管( m b t ) 的研制成功，将功率m o s f e t 和双极型功率晶体管 豹功能完美地结合在一起，采用很小的输入电压就可以控制很大的输出电流。i g b t 的迅 速发展，促进了功率m o s f e t 和晶闸管两者功能的综合，于是又产生了m o s 控制晶闸 管( m c t ) 。9 0 年代中期，在i g b t 的基础上，开发了电子注入增强型栅极晶体管( i e g t ) ， 使i g b t 的性能进一步优化。9 0 年代后期，随着集成电路的飞速发展，激励人们对电力电 子器件的功率集成进行新的思考为了实现功率器件和驱动电路的集成，在g t o 的基础 上，又开发了集成门极换流晶闸管( i g c f ) 1 1 、发射极关断晶闸管0 e t o ) 1 2 1 和m o s 关断晶 闸管( m t o ) 3 1 等功率集成器件 由于硅材料成本低，带作工艺也比较成熟，所以硅器件得到了非常广泛的应用目前， 功率器件研究工作的重点主要集中在对现有硅功率器件，如超高压晶闸管、光控晶闸管、 g t o 、功率m o s f e t 、i g b t 、i e g t 和s i d s 等器件的性能改进，以及对e t o 、m t o 和 i g c t 等新型硅功率集成器件及碳化硅( s i c ) 功率器件的开发，电力电子器件市场也逐渐由 电流控制型器件的统治地位转向以电压控制的复合型器件为主导。这场革新促使功率集成 技术的发展，涌现出许多新型的电子电子器件 西安理工大学博士学位论文 1 1 1 电流控制型器件与新型功率集成器件 以硅材料为主电流控制型器件经历了功率二极管、普通晶闸管、g t r 、g t o 晶闸管 的漫长发展后，目前正向高电压、大电流、低损耗和集成化方向发展。已开发出阻断电压 高达l o k v 4 的功率二极管，主要用于电压的驱动器。采用达林顿结构的g t r 模块水平 可达到1 8 k v l k a ，频率为2 k h z 。但由于g t r 存在固有的二次击穿及安全工作区( s o a ) 小、过流能力低等问题。近年来在开关电源的应用中逐渐被功率m o s f e t 代替，在电机 调速和不停电电源( u p s ) 的应用中正逐渐被i g b t 代替。 晶闸管从问世至今，功率容量已提高了近3 0 0 0 。倍在高压直流输电( h v d c ) 、静止 无功补偿( s v c ) 、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等应用方面，仍占有十分重 要的地位目前，许多国家已能稳定生产直径为l o o m m ，8 k v 4 k a 的普通晶闸管，最高 研制水平已达到1 2 k v 1 5 k a 和4 8 k v 5 k a 。美国和欧洲主要发展电触发晶闸管。日本主 要发展光触发晶闸管( l t o ，产品水平为8 k v 4 k a 和6 k v 6 k a 瑞士a b b 公司开发的相 控晶闸管口叨的产品水平为1 2 k v 1 5 k a , 双向控制晶闸管( b c d 【5 l 的产品水平为 6 5 k 、，1 8 k a 及5 2 k v 2 5 k a 。主要用于s v c 及工业传动、变压器调整以及软启动等领域。 我国主要发展普通晶闸管和快速晶闸管，其容量分别达到8 k v 3 k a 和4 k v 3 k a 。目前， 8 k v 3 k a 的普通晶闸管已用在三峡的h v i ) c 工程中。 g t o 具有高耐压、高导通电流密度及高d v d t 耐量等特点，在3 3 k v 以上高压、0 5 2 0 m v a 的大功率牵引、工业传动以及电力逆变器中得到了广泛应用目前，g t o 产品 水平已达到9 k v l k a 和6 k v 6 k a 采用g t o 器件及其驱动电路、保护电路形成的g t o 组件，也广泛用于铁路、交通、牵引、电源及矿井提升机等领域由于g 1 o 的门极驱动 功率大、驱动电路较复杂，且关断期间存在电流的不均匀性，需要一个庞大的吸收电路， 这些缺点限制了g t o 的应用为了进一步开拓g t o 的应用，降低其驱动电路的成本， 并提高可靠性，将g t o 器件与门极驱动电路集成在一起，开发出了新一代的功率集成器 件，如e t o ( e m i t t e rt u r n - o f ft h y r i s t 0 0 、m t o ( m o st u r n - o f ft h y r i s t o r ) 和i g l ( i n t e g r a t e d g a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 等，目前这些器件受到人们更多的关注 图1 - 1 为带有门极驱动器e t o 6 i 、m t o p l 和i g c t 的外形结构，都是将主器件与门极 2 (a)eto(b)mto( c ) i g c t 图1 - 1 带有驱动器的e i d ，m i d 和i g c r f i g u r e1 - 1t h ec o n f o r m a t i o no f e t o d r r da n di g c t w i t hg a t ed r i v e r 1 绪论 驱动电路集成在一起形成的功率集成器件。图1 - 1 0 ) 和图1 - 1 ( o ) 所示的主器件均为g t o ， 主要区别在于驱动电路。图i - 1 ( c ) 所示的i g c t 是将门极换流晶闸管( g c r ) 与其门极驱动 电路通过印刷电路板集成在一起形成的有通用型和环绕型两种型式通用型i g c t 中的 g c t 管与门极驱动器相距很近( 间距约为1 5 e r a ) ，很容易地装入不同的装置中；环绕型 i g c y 中的g c t 管被门极驱动电路所包围，使门极驱动器和冷却装置形成一个自然整体， 其中包括了门极驱动电路所需的全部组件，此结构更加紧凑、坚固。 图1 2 给出了g t o 、e t o 、m t o 和i g c t 的门极驱动电剐8 _ 1 0 l 。图1 - 2 ( a ) 所示的g t o 的门极回路主要由晶体管组成，门极回路的电感较大，使d i d t 受到限制；图1 - 2 ( b ) 所示 的e t o 门极驱动电路与g t o 不同，在g t o 的门极和阴极都加了m o s 管，通过开通m o s l 、 关断m o s 2 来控制e t o 开通；通过开通m o s 2 、关断m o s l 来切断阴极电流通路，使阴 极电流被换到门极而迫使e t o 关断。因此，e t o 兼备g t o 和m o s f e t 两者的共同优点， 具有高压、大电流，开关速度快、且正、反向安全工作区较宽等特点e t o 的关断增益 与g 1 d 相同，为3 5 门极回路电感较小，d i d t 控制能力较强，可消除d i d t 吸收电路 但由于阴极串联了m o s 管，导致通态压降较高目前已开发出l 6 k v l , - 4 k a 的e t o ， 主要用于电流源逆变器( c s l ) 滔m 隐刁”n ：汀 啦g 叫蚓 图1 - 2g t o 、e t o 、h 盯d 和i g c r 的门极驱动电路比较 f i g u r e l - 2 c o m p a r i s o n o f t h e g a t e d r i v e a c h c u i t o f g t o ，e t o ，m t oa n d i g c t 图i - 2 ( c ) 所示的m t o 门极驱动电路中有两个门极，g l 为开通门极；g 2 为关断门极， 它也是低电压、低导通电阻的m o s f e t 的栅极。通过控制m o s 管的开通来实现m t o 的 关断。门极回路的杂散电感极低( 1 n 哪，一旦m o s 管开通，则g t o 的门阴极结就短路， 于是阳极电流可在1 坶内换向到门极，所以门极电流上升率d k d d t 很高。m t o 的关断增 益为1 ，关断时也不需要d v d t 吸收电路。与g t o 相比，m t o 的开关损耗减小，存储时 间更短、一致性更好。门极关断功率更低与e t o 不同之处在于，m t o 关断时所需的电 流可由g t o 自身提供。由于m t o 门极回路可用的电压有限，因此，其换向电流上升率 被限制在2 0 0 0 a l j s 。目前，6 k v 、晒3 m m 的m t o 已有报道。 图i - 2 ( d ) 所示的i g c t 门极驱动电路与g t o 的很相似，只是门阴极问采用了m o s 管，而且i g c r 门极回路的电感很低，门极电流上升率d i c j d t 和峰值很高，关断增益也为 1 关断时阳极电流可在极短的时间内换向到门极，因此消除了d i d t 吸收电路。i g c t 中 的主器件为g c y ，它是在g t o 的基础上通过增加透明阳极、缓冲层和逆导二极管形成的。 3 西安理工大学博士学位论文 因此，g c t 具有比g t o 更优良的性能。由于存储时间较小，可串联使用所以，i g c t 兼备了e t o ，m t o 的共同优点，代表功率集成器件的发展方向 a b b 公司最早开发的g c t 基本结构有非对称型( a g c 砷和逆导型( r c - g c t ) 两种，主 要用在电压源逆变器( v s d 中为了提高逆变器的额定值和开关频率，满足电流源逆变器 ( c s i ) 和双向功率开关的应用需求，随后日本三菱公司又开发了逆阻型( 阻g c d i n 】和对称 型( s g c d 结构【1 2 1 图1 - 3 给出了r b g c f 的压接式封 装结构及其组成，它是将a - g c t 、钼片 和p i n 二极管压接在一起而形成的将 g c t 的阴极作为r b - g c y 的阴极，二极 管的阳极作为r b g c i 的阳极反向耐 压由p i n 二极管承担。采用这种压接式 图1 - 3r b - g c t 的压接式封装结构及其组成 封装，其冷却成本可降低5 0 。目前已 f i g u r e1 - 3 t h ee n c a p s u l a t i o n c o n f o r m a t i o n o f r b - g c f 开发出6 k v 的r b - g c t “o 啦r e p o s i n g 图l - 4 给出了带有门极驱动器的6 5 0 0 v 8 0 0 a s g c t 的外形、压接式封装结构及其 管芯结构和少子寿命分布示意图【1 3 1 可见，s g c t 管芯采用了n p t 耐压结构，与对称型 g t o 结构很相似，只是对门阴极结构作了改进，并采用双正角终端结构和多次高能质 子寿命控制技术( m e p l t ) 及压按式封装。通过s g c t 与门极驱动器的集成，使其门阴 极问的电感仅为g t o 的1 1 0 0 ，大大改善了s g c t 的关断特性和通态特性 图1 4 带有门极驱动器的s g c t 的压接式封装及其管芯结构和少子寿命分布 f i g u r e l - 4 t h e s g c f w i t h t h e i n t e g r a t e d g a t e d r i v e ，a n d i t s p r e s s p a c k s t m c t m e ，a n d d i e b a s i c s t r u c t u r e ：a n dl i f e t i m ed i s t r i b u t i o nb ym e p l t 图l - 5 所示为2 0 0 1 年a b b 公司提出了一种 双门极g c r 0 ) g g c t ) 1 1 4 1 ，也称为i g d t 堋，用 于高电压、大电流和高频率的场合。d g g c f 结 构完全对称，两侧都有门极，g l 为开通门极， g 2 为关断门极，并且阳极与阴极的图形完全相 同。与单门极g c t 相比，d g - g c t 的关断损耗 可降低7 0 ，在6 k v 时的工作结温可高达1 6 0 。所以，d g g c t 代表目前l a 汀的发展方向。 4 营藿e 剥誊 图1 - 5d g - g c y 的结构及其等效电路 f i g u r e1 - 5t h es t l u c t u r eo fd g - g c ra n di t s e q u i v a l e n tc r c u i t i 绪论 目前，i g c w 覆盖了从0 3 m w 一3 0 0 m w 的功率范围。由于1 g c t 能实现简单的串联， 还有压接式封装的简单性、可靠性和低电感以及固有的标准化、模块化等特点，因此，i g c t 在未来电力电子的应用中将会发挥其更大的优越性 1 1 2 电压控制型器件与新型功率复合器件 以硅材料为主电压控制型器件，自从功率m o s f e t 和功率j f e t 的开发以来i 已取 得了长足的发展。出现了许多m o s 型和结型功率器件，如e x t f e t 和c o o l m o s 结构， 以及表面栅、隐埋栅和双栅等静电感应晶体管( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ) ，这类单极器件 具有输入阻抗高。易驱动；速度快、频率高；r 。具有正的电流温度系数，无二次击穿。 s o a 宽，能并联使用等优点 功率m o s f e t 经过v v m o s 、v u m o s 、v d m o s 、e x t f e t 及c o o l m o s 的发展， 逐渐形成了以v d m o s 为主流、以c o o l m o s 为发展趋势的功率m o s f e t 器件家族。如 图1 - 6 所示，与v v m o s 、v u m o s 相比，虽然v d m o s 的耐压水平和可靠性都有所提高， 而且制造工艺也很简单，但由于存在j f e t 区使导通电阻比较高。阻断电压u b i 与导通电 阻r 。之间的关系可表示为：r 。o c u 豫。“【垌 。 图1 6 各种功率m o s f e t 结构 f i g u r e1 6t h ev a r i o t hs l r u c t u r e so f p o w e rm o s f e t e x t f e t 结构【 l 是将v u m o s 的u 形槽继续向里推进，穿透漂移区至漏区而形成的。 不仅使其j f e t 区电阻r j 为零，而且也减小了漂移区的电阻r d 所以，与v u m o s 相比， e x t f e t 鲍导通电阻r 。大大减小。但u 形深槽又导致阻断电压小，工艺成本增加。所以， e x t f e t 结构只适用于低电压、低功耗的场合。 c o o l m o s 结构【m 1 9 l 是在v d m o s 的n 漂移区中引入超结( s u p e rj u n c t i o n ) 2 0 - 2 ，耐压 层是由p 型与n 型区域交替形成，其u s r 与r 。之间的关系可表示为r 。一u 职1 3 2 2 2 1 所 以，c o o l m o s 能很好地解决v d m o s 的阻断电压与导通电阻之间的矛盾，是当前功率 m o s f e t 可选择的最佳结构。目前，西门子公司已研制出6 0 0 w 1 9 0 m 0 的c o o l m o s ，关 断时间为1 q 姻，并有较强的耐用度。 将m o s 型器件与双极型器件相结合，可形成的b i m o s 型功率复合器件，主要包括 i g b t 、i e g t 、m c t 和功率集成电路，其中以i g b t 的发展最快。这类器件结合了功率 m o s f e t 易驱动及双极型器件输出容量大、通态压降低等优点。由于其中含有m o s 结构， 导致制造工艺较复杂。尤其是m c t 的工艺更复杂，而且关断时存在电流的不均匀性以及 西安理工大学博士学位论文 关断电流受旁路电流限制等问题，使其始终无法占据大功率开关器件的主导地位，发展