动态特性PPT课件

1、动态特性1 2.3.32.3.3晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性 (第五讲第五讲) 2.3 晶闸管的主要特性 动态特性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：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 动态特性3 1. 晶闸管开通特性晶闸管开通特性 l 开通条件：开通条件：1 + 2 1 其导通不是立刻完成的；其导通不是立刻完成的； l 开通时间开通时间: : 定义元件由 定义元件由“断态断态”到到“通态通态”的时间为开通时的时间为开通时 间，用间，用ton表示，则表示，则 t

2、on= td + tr 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 动态特性4 晶闸管开通特性晶闸管开通特性（续） 延迟时间延迟时间t td d规定规定I IG G上升到上升到 50%50%起到晶闸管的阳极电流上起到晶闸管的阳极电流上 升到额定值的升到额定值的10%10%为止这一段为止这一段 时间。时间。 上升时间上升时间t tr r规定阳极电流规定阳极电流 由由10%10%上升到上升到90%90%所需的时间。所需的时间。 扩展时间扩展时间t ts s阳极电流由阳极电流由 90%90%I IA A上升到额定值，元件由上升到额定值，元件由 局

3、部导通扩展到全面积导通。局部导通扩展到全面积导通。 动态特性5 晶闸管开通特性晶闸管开通特性（续） l 临界电荷量临界电荷量：在短基区积累的使元件导通的少子电量。：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。崩式的增长直至开通。 开通过程的半定量分析开通过程的半定量分析 动态特性6 晶闸管开通特性晶闸管开通特性（续） l 由晶体管原理可以证明，当基区杂质为指数分布，发由晶体管原理可以证明，当基区杂质为指数分布，发 射极电流为射极电流为I Ie e时，基区中积累的电子电荷是时，

4、基区中积累的电子电荷是: : 式中式中 ，p(0)为为J3结结p2侧的杂质浓度侧的杂质浓度, p(Wpe)为为 J2结结p2侧的杂质浓度侧的杂质浓度. 取取I Ie e= =I IL L ( (擎住电流擎住电流) )，有，有: : 式中，式中， 2 2 1 pe be n W e QI D )( ) 0( ln pe Wp p peL n pe Lcr tI D W IQ 5 2 n pe pe D W t 5 2 动态特性7 晶闸管开通特性晶闸管开通特性（续） 强触发对ton的影 响 ： 强触发会使延迟强触发会使延迟 时间大大缩短；时间大大缩短； 影响开通过程的因素影响开通过程的因素 动态特

5、性8 晶闸管开通特性晶闸管开通特性（续） 阳极电流、电压及温度对阳极电流、电压及温度对 t ton on 的影响的影响 IA增加，增加，td基本不变，基本不变，tr 略有增加；略有增加； T增加，增加，td减小而减小而tr增加增加 动态特性9 2.2.晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量 l 当晶闸管不论被何种方式引起当晶闸管不论被何种方式引起 以后，其导以后，其导 通不是立刻完成的。开通后等离子体有一个扩展过程，通不是立刻完成的。开通后等离子体有一个扩展过程， 扩展速度为扩展速度为0.03-0.1mm/0.03-0.1mm/s s 。 (1) 问题的提出问题的提出 1 21 l 以侧

6、门极结构为例，若阴极内 侧的半径为3.5mm，扩展速度以扩展速度以 0.1mm/s 计，扩展1 s 的导通面 积约为0.01mm2,假定电路的di/dt为 10A/ s ,则开通时的电流密度可达 每cm2几万安培。 动态特性10 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） di/dtdi/dt耐量耐量-在指定电压下，每个器件都有一允许的在指定电压下，每个器件都有一允许的 di/dtdi/dt额定值，即额定值，即di/dtdi/dt耐量。耐量。 由于硅的比热很小，热容量不大，硅的热传导由于硅的比热很小，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率也很小，因此电流

7、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，造成硅去，从而电流通道中的温度会迅速上升，造成硅pnpn 结局部的迅速熔化。结局部的迅速熔化。 l红外观测器件的导通扩展红外观测器件的导通扩展 动态特性11 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 常见的常见的di/dtdi/dt失效失效 放电应用；放电应用； 雷电浪涌；雷电浪涌； 短路电流；短路电流； 中频或高频应用中频或高频应用 动态特性12 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 研究扩散速度的理论模式研究扩散速度的理论模式 等离子模式等离子模式 横向电场模式横向电场模式 (2)(2)扩展模型扩展模型

8、 动态特性13 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 等离子模式等离子模式:将初始传导看作大注入过程，即将初始传导看作大注入过程，即P2区包含相等密度的电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。纯扩散过程来研究。 当当 时，时，v=0。 当当 稍大于稍大于 时，时，v 随上升的电流密度大约按随上升的电流密度大约按 增加。增加。 当当 时，有时，有 ：触发区剩余载流子浓度 ：临界剩余载流子浓度 4/1 )( crn ra nqW JtD v crst nn2 st n

9、 cr n crst nn2 crst nn2 Jv 动态特性14 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 横向电场模式横向电场模式: 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扩散当作侧向电场引起的漂移过程。 动态特性15 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） l 侧向电场图象：侧向电场图象：晶闸管等效为两部分，用二极管和电容表晶闸管等效为两部分，用二极管和电容表 示示pnpn结，结， R R1

10、1、R R2 2分别是分别是p p2 2基区和基区和n n1 1基区的横向电阻。基区的横向电阻。 p 当在当在A K A K 间加间加400400伏正向阻断电压由伏正向阻断电压由J J2 2结承担；结承担； p 当图中所示局部一旦导通，导通区域的正向压降若为当图中所示局部一旦导通，导通区域的正向压降若为2V2V， 则整个则整个A KA K间电压变为间电压变为2V2V； p 电压的这一变化引起第二个变化，电压的这一变化引起第二个变化，J J2 2结电容原充电至结电容原充电至400V400V， 此时要通过此时要通过R R2 2、J J2 2结导通部分、结导通部分、R R1 1而放电。这样在而放电。

11、这样在p p2 2区和区和 n n1 1区产生了横向电场；区产生了横向电场； pp p2 2区堆积的空穴和区堆积的空穴和n n1 1区堆积的电子在该横向电场的作用下区堆积的电子在该横向电场的作用下 都从左向右扩展。随着都从左向右扩展。随着J J2 2结预先所加反偏压越大结预先所加反偏压越大, ,横向扩横向扩 展速度越快。展速度越快。 动态特性16 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） Matsuzawa由红外显象技术或微波反射技术测由红外显象技术或微波反射技术测 量扩展速度的试验量扩展速度的试验 结果表明：结果表明： v ，为基区内的平均少子寿命；为基区内的平均少子寿命； v ；

12、 v (J)1/n ，式中，式中J为电流密度、为电流密度、n =23； 2/1 )( n W 1 动态特性17 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 防止防止di/dtdi/dt破坏失效的两个方面：破坏失效的两个方面： 应用方面：应用方面： 强触发；强触发； 串电感以抑制电路的串电感以抑制电路的di/dtdi/dt。 器件方面：器件方面： 提高载流子扩展速度提高载流子扩展速度强触发；强触发； 增大初始导通边长。增大初始导通边长。边长比边长比12 ( (边长比边长比: :主晶闸管初始触发边长主晶闸管初始触发边长/ /放大门极初始触发边长放大门极初始触发边长) ) 动态特性18 晶闸

13、管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 提高提高di/dt耐量的措施耐量的措施: 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 动态特性19 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 提高提高di/dt耐量的措施耐量的措施: 场引进结构：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 FI原理 动态特性20 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 提高提高di/dt耐量的措施耐量的措施: 再生门极结构：再生门极结构： 通过金属接触

14、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FI原理 产生越来越大的门极电流， 促使晶闸管开通。 动态特性21 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） l 提高提高di/dt耐量的措施耐量的措施: u放大门极原理：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Vbf 动态特性22 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 采用放射状中

15、心放大门极和采用放射状中心放大门极和 内外环放大门极结构来延长内外环放大门极结构来延长 初始导通边长。主晶闸管导初始导通边长。主晶闸管导 通边长与放大门极导通边长通边长与放大门极导通边长 之比大于之比大于12，放大门极与阴，放大门极与阴 极间槽电阻大于极间槽电阻大于1。 通过控制主晶闸管初始触发通过控制主晶闸管初始触发 周边与放大门极初始触发周周边与放大门极初始触发周 边之比、放大门极至阴极之边之比、放大门极至阴极之 间的等效横向电阻来调整和间的等效横向电阻来调整和 改善改善di/dt特性；特性； 动态特性23 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 渐开线结构 2/12 0 )1

16、( 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。 2/12 0 )(1 rr 动态特性24 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） ldi/dt容量的估算容量的估算 动态特性25 晶闸管的晶闸管的di/dtdi/dt耐量耐量（续） 12 1212 1ln11 2 rr t t rr t rr tV Tnvcd dt di on onon onA 如果忽略热传导，单个脉冲引起的结温升为：如果忽

17、略热传导，单个脉冲引起的结温升为： on t dt c tzyxP T 0 ),( 式中式中 为热功当量，为热功当量， ，代入上式计算得：，代入上式计算得： 卡/18. 4J 式中 c=0.162卡/克硅的比热； =2.33g/cm3硅的密度； n=2.06； v扩展速度 dSi片厚度 动态特性26 3.3.晶闸管晶闸管 dv/dt 耐量耐量 l 瞬变条件下，阻断晶闸管在转折电压下能够转变为正瞬变条件下，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小和它增长的

18、速度。这一现象称之为上升速率效应或 dv/dt效应。效应。 l dv/dt定义：定义：在额定结温、门极断路和正向阻断条件下，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。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：若电压是直线上升的，则可表示为： t VV dt dv DFDF 1.09.0 动态特性27 晶闸管晶闸管 dv/dt 耐量耐量 （续） l 当一个迅速上升的电压加到晶闸管上，随着当一个迅速上升的电压加到晶闸管上，随着J J2 2结电压结电压v vj j2 2 的变化，在的变化，在J J2 2结电容上产生位移电流结电容上

19、产生位移电流I ID D ： u短路发射极原理：短路发射极原理： dt d CI jD v 2 其原理是基于横向电阻效应其原理是基于横向电阻效应。当电流较小时，当电流较小时， 通过通过J J2 2结的电流直接从结的电流直接从p p2 2区经短路点流向阴极欧区经短路点流向阴极欧 姆接触。由于没有电流经姆接触。由于没有电流经J J3 3结，所以结，所以J J3 3结向结向p p2 2区区 注入的电子很少、注入的电子很少、a a2 2很小；很小； 当电流继续增大，电流在当电流继续增大，电流在p p2 2区横向流动就会在基区产生一定的电压降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

20、分的电位提高，该部分落，此电压使远离短路点部分的电位提高，该部分J J3 3结的正向电压结的正向电压V V3 3增大。增大。 动态特性28 晶闸管晶闸管 dv/dt 耐量耐量 （续） 提高提高 dv/dt dv/dt 耐量的方法耐量的方法 减小结电容以减小位移电流减小结电容以减小位移电流 增加长基区宽度以减小增加长基区宽度以减小 减小减小 降低发射极注入效率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 转折电压下降转折电压下降 np 、 动态特性29 晶闸管晶闸管 dv/dt 耐量耐量 （续） 短路发射极结构的半定量短路发射极结构的半定量

21、 计算计算 根据引起的位移电流在结造成根据引起的位移电流在结造成 的压降应小于开放电压、使的压降应小于开放电压、使 200这一条件，可以估算出一这一条件，可以估算出一 确定器件的确定器件的 dv/dt 耐量。耐量。 1ln2 16v 22 0 d D DdRC SV dt d S D 动态特性30 晶闸管晶闸管 dv/dt 耐量耐量 （续） l 式中式中C C0 0为为J J2 2结电容，结电容，S S为为J J2 2结面积。结面积。K K为为短路系数短路系数 由上式可看出由上式可看出： （1 1）要获得大的）要获得大的dv/dtdv/dt ，则短路系数要小，因而，则短路系数要小，因而D D

22、和和d d 都必须小，可见密而小的短路发射极对耐量的提高是都必须小，可见密而小的短路发射极对耐量的提高是 有利的。有利的。 （2 2）RsRs为有效为有效p p基区的薄层电阻，基区的薄层电阻， RsRs 过大会影响短路过大会影响短路 效果，不利于效果，不利于dv/dtdv/dt 耐量的提高。耐量的提高。 1ln2 22 d D DdK 动态特性31 4.4.晶闸管关断特性晶闸管关断特性 l 关断过程就是积累的非平衡载流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，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

23、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，这一比临界存储电荷小的程度，这一 过程需要一定的时间，称为过程需要一定的时间，称为关断关断 时间时间。 定义为电流过零到重加正向电压过定义为电流过零到重加正向电压过 零这一段时间，用零这一段时间，用t toff off表示。 表示。 普通晶闸管的关断时间约几百微秒普通晶闸管的关断时间约几百微秒 动态特性32 晶闸管关断特性（续） n关断瞬态的关断瞬态的“反向电流、正向偏置反向电流、正向偏置” 可以用贮存电荷加以说明：可以用贮存电荷加以说明： 由于由于p p2 2区的杂质浓度远高于区的杂质浓度远高于n n1 1区，区，J J2 2结又为正向结

24、，结又为正向结， 故故p p2 2区空穴将向区空穴将向n n1 1区注入，而区注入，而n n1 1区的电子却不易向区的电子却不易向p p2 2区注区注 入，这样在长基区中尽管空穴可以从入，这样在长基区中尽管空穴可以从J J1 1结流走，但又得结流走，但又得 到了到了p p2 2区注入空穴的补充，电子又不易向区注入空穴的补充，电子又不易向p p2 2区输出，因区输出，因 此长基区的载流子消失很慢。此长基区的载流子消失很慢。 加上一负的门极电流，抽走加上一负的门极电流，抽走p2区的过剩电荷，储存时间区的过剩电荷，储存时间 将大大缩短，关断速度可以加快。将大大缩短，关断速度可以加快。 动态特性33

25、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前已述，晶闸管在电路中关断的条件是回路电流 要小于要小于I IH H，如果关断时，如果关断时“拖尾电流拖尾电流”长，某一时段后仍长，某一时段后仍 有大于有大于I IH H的电流，则晶闸管关断失败。的电流，则晶闸管关断失败。 减小关断时间的措施：减小关断时间的措施： H Fm poff I I tln 动态特性34 晶闸管关断特性（续） toff与内部参数的关系与内部参数的关系 动态特性35 晶闸管关断特性（续） toff与外部参数的关系与外部参数的关系: 随结温的增加而增加，主要是因为随结温的增加而增加，主要是因为p 随温度增加而

26、增随温度增加而增 加加; ; 随反向电压的增加而减小随反向电压的增加而减小; ; 随通态电流的增加而增加随通态电流的增加而增加. . 动态特性36 晶闸管关断特性（续） 基区少子寿命控制技术基区少子寿命控制技术: 少子寿命控制方法：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 采用电子辐照或采用电子辐照或射线辐照射线辐照 动态特性37 晶闸管关断特性（续） 基区少子寿命控制技术基区少子寿命控制技术: :采用磷或硼吸收的作用，采用磷或硼吸收的作用， 控制器件中的金的浓度分布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