基于TCAD的门极换流晶闸管的研究

苏 陶， 刘玉欣， 何晓雄

（合肥工业大学 电 子科学与应用物理学院，安徽 合 肥 230009）

根据不同领域的实际需要，半导体器件以集成电路为代表的微电子器件和以电力电子器件为代表的功率半导体器件两大类快速发展。电力电子器件的特点是大功率，均具有导通和阻断2种工作特性。1955年，美国通用电气公司发明了世界上第1个半导体整流器件硅整流器，1957年又发明出首个功率转换和控制的可控硅整流器（SCR）。从20世纪60年代开始，由普通晶闸管相继衍生出快速晶闸管等一系列晶闸管家族。但是普通晶闸管是半控型器件，不能控制其关断，因此在控制功能上有缺陷；此外，普通晶闸管立足于分立元件结构，工作频率难以提高。从70年代末开始，随着门极可关断晶闸管（GTO）日趋成熟，成功克服了普通晶闸管的缺陷，电力电子器件已进入到全控型器件时代。

门极换流晶闸管（GCT）是基于GTO开发的一种新型大功率半导体器件。与GTO和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）相比，它既具有GTO的高阻断能力和低通态损耗，又具有IGBT的高频特性。GCT具有损耗低、开关速度快、内部机械部件少、成本低以及结构紧凑等优点［1］。因此可以可靠地用于各种驱动控制、电力变流器以及电机车变电站和民用市场。GCT最早是由ABB公司提出的，已经形成了系列产品。而国内对GCT的研究尚处于研发阶段。

GCT的设计十分复杂，需要同时考虑通态特性和阻断特性的影响。本文利用ISE－TCAD软件［2］模拟了透明阳极结构参数以及栅极数目对建立的GCT模型的通态特性的影响，并对其进行了分析。

1 结构与原理

非对称型GCT是一个p＋nn－pn＋的5层结构的晶闸管［3］，如图1所示。本文选取的模型是以n型材料为衬底，掺杂浓度为1×1014cm－3；p基区厚度为40μm，峰值掺杂浓度为1×1018cm－3；n＋阴极区厚度为20μm，峰值掺杂浓度为1×1020cm－3；n型缓冲区厚度为20μm，峰值掺杂浓度为1×1017cm－3；p＋透明阳极厚度为3μm，峰值掺杂浓度为1×1019cm－3。

当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压而控制极不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。

当晶闸管的阳极A与阴极K之间加入正向电压且栅极G与阴极之间也加入正向电压时，J3处于导通状态。此时晶闸管处于触发导通过程。晶闸管一旦导通，栅极就失去控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态［4］。

图1 GCT结构图

2 模拟与分析

根据图1所示的GCT模型结构参数，分析透明阳极结构参数对GCT正向通态特性的影响，并进一步对其关断特性进行了研究。引入透明阳极是为了降低阳极发射极的注入效率，加速器件关断时剩余载流子的恢复，提高GCT的开关特性。而透明阳极的性质与该层的杂质总量有关，与杂质分布是无关的［5］。所以，本文分析透明阳极结构参数时从杂质总量控制入手。而杂质总量取决于透明阳极杂质浓度与厚度的乘积［6］。

在其他各层结构参数不变的情况下，透明阳极的厚度由3μm增大到15μm。此时GCT通态特性如图2所示，同是阳极电压为2.5V，厚度分别为3、9、15μm 时，阳极电流分别为59、202、345A。可以看出，随着透明阳极厚度的提高，即杂质总量增加，导致注入效率变大，n－基区的通态压降变小。

透明阳极掺杂峰值浓度对通态特性的影响如图3所示。

图2 透明阳极厚度对通态特性的影响

图3 透明阳极掺杂峰值浓度对通态特性的影响

图3显示在相同透明阳极厚度情况下，峰值掺杂浓度由1×1017cm－3增加到1×1019cm－3，同样在2.5V的条件下，阳极电流依次为16、29、59A。由此得出杂质总量增加，使得通态压降变小。因此，透明阳极结构参数的优化对改善GCT通态特性具有重要的意义［7－8］。

图4所示为3栅极GCT的结构图，相对于图1的模型，此结构只是将n＋区分开，n＋区的有效宽度及其他参数均没有改变，以达到只考虑栅极数目对通态特性影响的目的。

由图5可以看出，栅极数目对通态特性的影响不明显，在GCT具有2个栅极、阳极电压为2.5V时阳极电流为59A。当GCT有3个栅极、阳极电压为2.5V时阳极电流为40.7A。随着栅极数目的增加，通态压降是增加的。这说明栅极数目与透明阳极杂质总量起着相反的作用，当杂质总量增加时，通态压降减小。所以在改善GCT通态特性的设计中，可以综合考虑这2个方面的因素。

图4 具有3栅极结构的GCT

图5 栅极数目对通态特性的影响

3 结束语

本文在TCAD基础上利用建立的GCT器件模型研究了透明阳极结构参数和栅极门数量对GCT通态特性的影响。模拟结果表明，透明阳极杂质总量和栅极数目对GCT通态特性起着相互制约的作用，透明阳极杂质总量是决定GCT通态压降的关键因素。通过协调透明阳极的峰值掺杂浓度和厚度以及栅极的数目，可以改善GCT的通态特性。本文研究成果对GCT的设计与生产具有重要的参考价值。

［1］ 王 颖，吴春瑜，曹 菲，等.非对称型门极换流晶闸管模拟［J］.功能材料与器件学报，2007，13（6）：661－665.

［2］ 邓 勇，宣晓峰，许高斌，等.基于TCAD软件的单层多晶EEPROM 器件模拟分析［J］.半导体技术，2008，33（1）：15－18.

［3］ 王彩琳.门极换流晶闸管（GCT）关键技术的研究［D］.西安：西安理工大学，2006.

［4］ 张如亮，高 勇，王彩琳，等.IEC－GCT阳极结构参数的优化设计［J］.西安理工大学学报，2010，26（4）：388－392.

［5］ 吴春瑜，朱长纯，王 颖，等.缓冲层与透明阳极结构对GCT通 态 特 性 的 影 响 ［J］.电 子 器 件，2006，29（4）：989－991.

［6］ 王彩琳，孙永生，张建仙.5kV非对称GCT的特性分析与设计［J］.电力电子技术，2008，42（12）：46－48.

［7］ 窦建华，张 锋，吴 玺.基于MOS电容的压控振荡器设计［J］.合 肥工业 大学 学报：自然 科 学 版，2006，29（6）：721－724.

［8］ 王彩琳，高 勇，马 丽，等.门极换流晶闸管透明阳极的机理与特性分析［J］.物理学报，2005，54（5）：2296－2300.