功率半导体器件igc的原理与技术

功率半导体器件igc的原理与技术

20世纪30年代，随着电压和功率的要求不断提高，其复杂性和功率不断提高。第一个可以控制硅条算器只能在交流周期结束时关断，而这种改进是门极可关断硅条件（gto）。gto将数千个独立的开关单元整合到硅片中。在中压下，通态损失非常小。此外，由于成本高、成品率等，gto仍在广泛使用。然而，由于开关过程不均匀，为了保证关路的坦率，需要引入额外的吸收电路。这些吸收电路在最终设备中占其一半的体积，这决定了整个设计的复杂性、成本和损失。由于绝缘体感板两极性债权人（igdt）具有相对较高的开关率和相对均匀的开关过程，因此不需要吸收电路。然而，由于igdt的总态损失较大，为了保证外观的发热，应使用大面积硅片。这增加了成本，降低了成品率。此外，我们只能使用一系列串联igt系列方法来执行中等电压下的开关，这不仅增加了系统的复杂性和损伤，而且降低了系统的可靠性。例如，需要连接四个1.8kv的igt来组成4.16kv的交换装置。由于高电压大功率开关器件的巨大市场需求,吸引了众多的系统产业来占领市场份额.所以,功率控制的设计成本必须降低,还要保证稳定高效,以达到更高的性能价格比.在激烈的市场竞争下,ABB半导体公司推出了一种可以满足这些要求的新型半导体功率开关器件—集成门极换流晶闸管(IntegratedGateCommutatedThyrister)简称IGCT.它是做了重大改进的GTO,并联了二极管以及集成门极驱动电路.它结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点,即晶体管的强关断能力和晶闸管的低通态损耗.IGCT对工艺水平要求不像IG-BT那样高,并具有同GTO一样的低成本和高成品率,加之可以稳定可靠地工作在高电压大功率领域,所以它是功率开关器件的更新换代产品,具有很强的市场竞争力,必将在未来的电力电子应用领域占主导地位.国内对其的开发研究尚属空白,目前只有西安电力电子技术研究所和西安交通大学真空微电子与微电子机械研究所刚刚开始这方面的研究.1工作原理及关断电流工作原理IGCT由集成门极和GCT组成.在导通状态下的GCT是一个像SCR或GTO一样的正反馈晶闸管开关,其特点是通过电流能力强和通态压降低,在阻断状态,门极和阴极反向偏置,并有效地退出工作,器件呈晶体管方式.该器件在这两种状态下的等效电路如图1所示.GCT关断概念与GTO栅阴放大器很相似.为关断GCT,整体的阳极电流被强制转化成门极电流,通过打开一个与阴极串联的开关(通常是MOSFET),使P基极—n发射极反偏,从而迅速阻止阴极注入,整体的阳极电流便迅速转化为门极电流(通常在1μs内),把GCT转化成一个无接触基区的npn晶体管,阴极发射极的正反馈作用被阻止,GCT也就均匀关断,而且没有挤流效应.最大的关断电流比传统的额定电流高出许多,保护性的吸收电路可以省去,关断增益接近于“1”.2关键技术根据前述GCT的基本工作原理可知,GCT的器件结构设计在某些方面与GTO完全相同.所不同的是采取了以下几项关键技术.2.1样品的厚度和厚度传统的非穿通型(NPT)概念就是在厚的N基区上直接扩散形成阳极,如果正向电压加在NPT单元上,电场将延伸到N基区,在PN结阻断情况下电场有一个三角分布区,该器件总的阻断电压(Vdrm)为X轴距离(硅片N基区厚度)的积分.因此所需阻断电压越高,其硅片的厚度就越厚,而且导通和并联损耗也就越大.如果在结处的电场尖峰达到了雪崩击穿限制,击穿就会发生.在一个好的设计中,这应该发生在电场到达阳极之前.但若在NP+层中引入N缓冲层,并改变适当的掺杂,阳极被低掺杂的N扩散缓冲层保护,形成一个四边形电场分布,成为穿通(PT)型器件PT型器件基区电场的梯度比NPT电场要小的多(低的N基区掺杂),电场被N缓冲层阻挡,因而在相同的阻断电压下,NT型器件比NPT型器件要薄得多,从而提高器件的效率,降低通态损耗和关断损耗,如图2所示.例如,在4.5kV的IGCT中,采用缓冲层,所需芯片的厚度大约减少40%.2.2关断期间的电子装置GCT采用了缓冲层技术,而缓冲层的高电导率与传统GTO的阳极短路技术不相容,因此必须采用新的替代技术.为实现低通态压降,低关断损耗,要求处于导通态的器件保持为晶闸管结构,这就需要采用正反馈晶体管对.这样在关断期间,一旦建立阳极电压,电子便能透过发射极而排出,而无需重新注入空穴,这表明电子在关断状态下能穿过阳极而不发射,电子穿透阳极就像阳极被短路那样,阳极相对于电子而言是透明的.实际上,传统的GTO采用阳极短路结构来达到相同的效果,但这大大增加了门极触发电流.并不是像传统的阳极短路那样,一个透明阳极就是一个发射效率依赖于电流密度的很薄的PN结,其损耗和开通域值电压都很低.另一方面,透明发射极被巧妙地设计成在大电流密度下(晶闸管门闩)时低的注入效率,这样在关断期间,电子可以从透明阳极中有效地抽取,并透过透明阳极达到金属接触界面处复合.2.3逆导型gct的优点由于现有规格GCT主要利用电压源逆变器,因而多采用非对称技术,并与反并联快速二极管一起使用.在采用缓冲层和发射极透明技术以前,GTO采用的硅片衬底材料的厚度几乎是相应的反并联续流二极管的两倍.现有的GCT充分利用了上述技术的优点,并使优化的续流二极管和GCT整体集成在同一芯片上.IGCT不带吸收电路,这意味着集成续流二极管必须在不带吸收电路和高频换流(dv/dt)的情况下关断.为此逆导GCT的二极管部分经过质子辐照能形成非均匀的复合中心分布,这样便能控制载流子的寿命分布进而控制二极管的反向恢复特性.并能保证在尾部电流减小到零的过程中,反向电流不会断流.在传统的逆导型GTO中,GTO和二极管共用一个P基区,这样GTO的门极电流便会通过P基区流入二极管.由于二极管阳极和GTO阴极电势相等,因此这对门极电流是一种短路.逆导型GCT用n-区将二者隔离,从而消除了以上影响,如图3所示.2.4双极单元与gct集成由于其“硬驱动”门极控制允许关断增益为“1”和初始导通增益也接近于“1”,因此,GCT可以实现双极晶体管的动态特性,这要求大规格门极单元与GCT集成,因而被称为“IGCT”.反并联二极管的集成可提高门极电流上升率,显著降低存储时间,实现门极的硬驱动.3讨论3.1缓冲层技术的优点一个半导体器件总的阻断电压与其硅片的厚度成正比,而与导通和开关时产生的损耗成反比,也就是说,器件的耐压性能越好,它的导通和开关损耗也会越大.而IGCT采用缓冲层技术很好地协调了两者之间的关系.它从器件的纵向结构入手,进行基区穿通设计,加之以较低的衬底掺杂浓度,使雪崩击穿发生在电场到达阳极之前.在相同的阻断电压下,降低了硅片厚度,从而减少了导通及开关损耗.3.2igct的透明阳极发射技术GTO采用传统的阳极短路结构来实现低通态压降和低关断损耗,却导致了门极触发电流的增加.IGCT采用的透明阳极发射技术使触发电流和后沿电流很小,总的通态门极电流仅为GTO的1/10,大大减小了门极触发功率.而且基区中的电子可以通过透明阳极有效地抽取,无需注入空穴,使载流子可快速地流入流出,加之缓冲层技术减少了N基区的存储电荷,关断时间进一步缩短.3.3igct的特性单片非穿通型GTO必须与续流二极管一起使用,而二极管的性能却由于它与硅片衬底差不多厚度而大大降低了.IGCT集成了续流二极管,省去了吸收电路,并通过逆导技术,使IGCT二极管的尾部电流在逐渐减少到零的过程中反向电流不会断流.3.4整体电路设计安全GCT器件与大规模反并联二极管的集成不但可以减少存储时间,而且使关断时间的绝对值和离散性大为减少,使IGCT可以安全地应用于高压串联(10kV—100kV).如果发生过电流失效,器件烧毁使其自身断路,而不像IGBT那样会对邻近的元件造成危险,加强了整体电路安全性.3.5关于igct的工作原理在导通和阻断状态下,GCT和GTO有一个明显的不同,GCT可瞬时从导通态转化到阻断态,而GTO必须在一个既非导通又非阻断的中间不定状态进行转换,正因为晶闸管器件与简单的晶体管不同,它对dv/dt很敏感,GTO才需要一个很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率(dv/dt).在IGCT技术中,消除GTO区是指电荷从N基区完全被抽出之前(即阴极npn晶体管完全停止注入电荷之前),整个阳极电流迅速从阴极转向门极,在承受任何阻断电压之前,IGCT必须变成晶体管,这与GTO以晶闸管方式承受阻断电压形成鲜明对比,由于IGCT关断发生在变成晶体管之后,所以无须外加dv/dt限制,这就意味着对门极电路的最大阻抗有严格的要求.举例如下:用20V关断1000A的电流,电流转换到门极的时间为1μs,则门极驱动电路的杂散电感可计算如下:如此低的门极电感,只能通过GCT特殊的“共面门极—阴极导体(coplanargate-cathodeconductors)屏蔽结构来实现.总之,IGCT设计的关键就在于采用电感相当低的门极电路,根据器件的定额,可能需要采用同轴器件和多层线路板.在IGCT众多显著的优点,其中之一就是可以处理高频开关中的脉冲.传统的GTO晶闸管在两次连续的关断过程中,必须有一段较长的间隔时间.在关断过程中,由于GTO的电流再分配及发射极挤流效应导致了发热不均匀(还附加了不均匀的开通),这种情况迅速导致了结温升高和温漂.因此,GTO连续开关的最小时间间隔主要取决于恢复到平均结温所需的时间.然而,凭着极限均匀开关的能力,IGCT突破了这个限制,再关断期间产生的热量被平均分配在全部器件中,也就是说,IGCT没有热量存储,因此,限制IGCT开关频率的参数只是“热量分配”.4关于igct技术功率半导体器件是电力电子器件中最重要的一种,在电力及能源工业领域中扮演了重要的角色.有人估计,在20世纪90年代中期的美国,至少60%的电力设备使用了一个以上的功率半导体器件,许多设备使用了多个该类器件.在大功率应用领域,IGBT具有稳定的关断能力,但损耗较大;GTO损耗较小,然而需要昂贵而复杂的吸收电路.目前只有IGCT器件同时具有高电压、大功率、低通态及开关损耗,无吸收电路,抗干扰能力强,工作稳定可靠,结构紧凑等半导体功率器件的理想优点.而且,通过IGCT技术,电力控制设备的成本将会被减少30%或更多,以下几个因素说明了这一点:GCT可以通过现有的CTO生产工艺制造,如果这一过程被很好地掌握和应用,GCT与GTO的成本是差不多的,与IGBT相比,GCT对生产条件的变化不是很敏感,使成品率大大提高.通过二极管在GCT中的集成,使扩充的器件数目减少了50%,并可以在现有的工艺条件下减少布线,将来,成本有可能在高频领域进一步降低,因为在那里需将器件做得