功率半导体晶闸管是一种半导体器件四层p型和n型交替材料。它的作用完全是一个双稳态开关,当栅极接收到电流触发时进行传导,并持续传导,直到设备上的电压反向偏置,或者直到电压被移去(通过其他方式)。

晶闸管的半导体结构有四层不同类型的电导率:n-发射极,p-基极,n-基极,p-发射极。这些层之间由三个p-n结分开:阴极发射极p-n结位于n-发射器和p-base之间,阳极发射极p-n结位于p-发射器和n-base之间,集电极p-n结位于p-base和n-base之间。

在这种半导体结构中,过程的物理性质是这样的:应用一个正电位到阳极比阴极导致出现一个电流-电压特性与一段负微分电阻。

功率半导体晶闸管的半导体元件设计

在功率半导体晶闸管中,通常最轻掺杂的高阻层是n基,当在关断状态下施加正向和反向电压(阻断电压)时,高压集电极和阳极p-n结的空间电荷区扩展到这一层。

栅极通常附在p基上,位于半导体的阴极一侧。为了做到这一点,在阴极表面的一部分不形成一个n⁺-发射极层,而这些p型区域来到表面被称为p型控制区。

晶闸管结构有几个重要的附加元件。

分流阴极发射体

分流元件以局部p型区域的形式制造,该区域延伸到阴极表面,并与n⁺-发射极具有共同的金属化。采用分流器是为了保证降低n-p-n分量晶体管的增益因数,这对于确保晶闸管的高开关电压值,以及提高抗噪声能力和改善一些动态特性是必要的。

支门

最初,栅极电流只在拓扑上与控制p区和栅极边缘相邻的100-500 μm宽区域内开启晶闸管。它是由半导体结构中栅极电流横向传播的有限值引起的。

由于半导体结构的面积可以非常大,问题是如何在可接受的短时间内打开晶闸管的整个区域。这个问题是通过一个分支门的实现来解决的,它的拓扑选择的方式,以减少传播时间的on状态在整个区域到一个合理的值。

辅助晶闸管

在半导体结构中存在分支栅极需要增加栅极电流。典型的栅极电流需要开关晶闸管结构均匀地沿着整个栅极周长是1 A每1厘米的栅极长度。

因此,要用分支栅极开启晶闸管,可能需要振幅为数十安培甚至数百安培的栅极电流脉冲,这使得晶闸管控制单元非常复杂。为了避免这种情况,引入了额外的辅助晶闸管结构。

这个辅助晶闸管集成成一个共同的四层结构,与主晶闸管有一个共同的阳极,但有自己的栅极,它的阴极连接到主晶闸管分支栅极的金属化。辅助晶闸管的阴极的总面积和栅极的周长比主晶闸管的面积小得多。

整个晶闸管栅极的外部端子与辅助晶闸管栅极的金属化相连接,所以当先将该元件接通时,不需要大的栅极电流即可将其接通。接通的辅助晶闸管的阳极电流供给主晶闸管的分支栅极,使主结构开启。

半导体元件外围区

类似于功率半导体二极管在功率半导体晶闸管的高压p-n结表面击穿时,最常用的方法是利用边缘斜面轮廓来防止其表面击穿。由于晶闸管有两个高压p-n结,其斜面比二极管的复杂。

在具有不对称p-n结的半导体结构中,正斜面和反斜面的区别取决于体积减小的部分是否具有更高或更低的掺杂浓度。

对于正斜角和反斜角,在不同的α值下可以实现对表面击穿的有效保护:对于正斜角,这个角度应该尽可能小,对于反斜角,小于40-50°就足够了。因此,为了使外围区域的尺寸最小,晶闸管结构的斜面通常分为两个阶段形成:角度α1为20-40°,角度α2为1-3°。

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