晶闸管的擎住电流与维持电流

谭 巍, 李建清（电子科技大学物理电子学院,四川成都 610054）

晶闸管的擎住电流与维持电流

谭 巍, 李建清
（电子科技大学物理电子学院,四川成都 610054）

晶闸管的擎住电流和维持电流对于晶闸管的工作有重要的影响.利用晶闸管的导通特性,从载流子的角度推导出擎住电流的计算公式；通过对NPN晶体管电流增益的分析,得到维持电流的表达式.将计算结果与Sentaurus TCAD软件仿真结果对比,发现两者符合较好,验证了计算公式的正确性.

晶闸管；擎住电流；维持电流；电流增益

0 前言

晶闸管在电力电子器件领域占据统治地位,被广泛应用于低开关频率领域和高电压、大电流的大功率范围[1].晶闸管同时具有正向和反向的电压阻断能力,典型的晶闸管结构如图1（a）所示,图1（b）给出了晶闸管典型的正向i-v特性曲线以及相关参数.在晶闸管正向i-v特性曲线中,擎住电流IL和维持电流IH是两个重要的参数,它们对晶闸管的开通和关断均有影响[2－3].擎住电流IL表征了晶闸管开通的难易程度,IL越大晶闸管就越不容易导通且开通损耗越大；维持电流IH表征了晶闸管关断过程的难易程度,IH越大晶闸管关断就越慢,损耗也就越大.对于IH的研究讨论有格安迪SK的简单模型[4]和关艳霞的简化模型[5],关于IL的计算研究较少,特别是对于IL的计算到目前还没有计算公式.本文将对IL和IH的计算进行研究,从器件载流子浓度的角度推导出擎住电流IL的计算公式；利用电流密度与NPN晶体管的关系,得到维持电流IH的计算公式.

图1 典型晶闸管结构和正向i-v特性曲线Fig.1 Typical thyristor structure and forward i-v curve

1 两种电流的计算

为了研究擎住电流IL和维持电流IH,对晶闸管结构作如下假设；

1）假定横坐标轴x为图1（a）所示的纵向方向,纵坐标y轴为图1（a）所示横向方向原点位于图1（a）左边J1结处；

2）假定器件中载流子寿命为常数,不考虑大注入下俄歇复合的影响；

3）假定载流子迁移率为常数,不考虑晶闸管中寄生晶体管的基区扩展效应；

4）假定擎住电流边界的载流子满足结定理.

1.1 擎住电流

擎住电流的定义是在一个10μs的触发脉冲的末尾能使晶闸管安全转入导通模式,并且此门极信号归零后还能安全的维持导通状态的最小电流[6].从定义可知,擎住电流下器件处于通态,此时器件内部的反馈过程能够维持.因此可以利用PIN二极管的导通特性对其分析,得到擎住电流的计算表达式.

对于图1（a）所示的器件结构,由假设3）根据玻尔兹曼准平衡假设下的结定理：耗尽层边缘处的浓度与施加的正向偏压关系；

其中,nie是本征有效载流子浓度,Nd是器件N型漂移区去掺杂浓度,Na是器件P型基区掺杂浓度,v1和v2分别是J1、J3结的结压降.

为了求得N型漂移区和P型基区的电子空穴浓度分布,采用电子空穴的连续性方程：

其中,Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数,τ是漂移区的少子寿命.将式（3）乘以μpp,将式（4）乘以unn,联立方程可以得到

利用爱因斯坦关系

则可以简化得到电子连续性方程

其中Da＝2DnDp/（Dn＋Dp）.在擎住电流下,器件处于稳态,因此Ən/Ət＝0.由式（7）,可以解得载流子浓度的通解

其中系数A和B取决与边界条件,La＝为少子即电子的扩散长度.由于电中性的要求,存在n（x）＝p（x）.由式（1）和式（2）的边界条件可以求得系数A和B,

于是可以得到在擎住电流下器件内部载流子浓度分布

由电荷控制理论,擎住电流与漂移区内电子与空穴的复合有关[7],

其中,R＝n（x）/τ是复合率,利用漂移区的平均载流子浓度na计算复合率,联立上式得到

可以证明,具有式（11）分布的载流子浓度是连续的[8－9].所以平均载流子浓度

联立式（12）和式（14）,可以得到晶闸管擎住电流

从式（15）看出晶闸管擎住电流的计算公式比较复杂,对擎住电流影响比较大的是器件漂移区长度d和载流子扩散长度La,从器件设计的角度,可以通过合理设计器件的漂移区长度d以及掺杂浓度得到理想的擎住电流.

1.2 维持电流

维持电流的定义是保持晶闸管在无门极电流时处于导通的最小阳极电流,当电流小于维持电流后晶闸管将会关断[10].由晶闸管的导通原理可以知道,在维持电流水平的时候晶闸管内部的正反馈得以维持.

对于图1（a）所示结构假设晶闸管维持电流密度大小为Jh,根据晶体管理论：电流密度在横向上线性减小[11－12].因此J1结各处的电流密度为Jh（y）＝Jh（1－y/l）,其中l为器件阴极宽度.

对于NPN晶体管,存在（1－anpn）Jh的电流密度在基区复合,成为NPN晶体管的基极电流.由于P型基区电阻存在,基极电流将会产生压降,当压降低于一定程度时,NPN晶体管中的N＋区无电子注入,晶闸管内部增益无法维持即晶闸管关断.

距离原点为y处的基极电流为

其中Z是垂直于剖面的长度,离原点为y处的压降为

将式（17）进行积分可以到阴极中间的电压为

于是可以得到晶闸管维持电流

式（19）给出了晶闸管维持电流.可以看出p区的薄层电阻、阴极指条的宽度l以及NPN晶体管的放大系数anpn对器维持电流影响较大.其中NPN晶体管的放大系数anpn是一个复杂的变化量[11],决定了对于晶闸管维持电流IH的准确计算较难.通过式（19）可以看出采用对P型基区薄层电阻和阴极纸条的宽度l进行合理设计能够获得的理想的维持电流.

2 模型计算与仿真

为了验证上述模型的正确性,利用Sentaurus TCAD工具[12]对典型的晶闸管器件结构进行仿真.晶闸管结构剖面如图2（a）所示,整个阳极宽度是1 000μm（面积＝1×10－5cm2）,阴极叉指宽度为980μm,器件纵向高度400 um.N型漂移区的掺杂浓度为5×1013cm－3,P型基区高斯掺杂,表明浓度为5×1017cm－3,深度为25 um,N＋型阴极区域高斯掺杂分布,表面浓度为1×1020cm－3,深度为10 um；P＋阳极也是高斯分布,表面浓度1×1019cm－3,深度为10μm.N型漂移区寿命取15μs.

图2 模拟的器件结构和掺杂浓度Fig.2 Device structure and doping concentration simulation

对于擎住电流和维持电流的数值模拟,采用先加偏置使晶闸管导通,然后降低阳极电流,直到器件进入阻断状态.图3给出了在300 K下器件的i-v特性.L点表示擎住电流密度为0.097 8 A·cm－2；H点表示维持电流密度数值为0.049 A·cm－2.

在晶闸管维持电流期间,由文献[13－14]给出的计算公式可以得到NPN晶体管的增益为0.85；P型基区的薄层电阻为500Ω·sq－1,其中J1和J3结的压降取为0.5V.表1给出了由上述模型计算结果与模拟仿真结果的区别.

根据擎住电流的计算表达式可知,擎住电流与器件漂移区长度d和载流子扩散长度La相关.为了进一步验证擎住电流计算式的正确性,表2给出了在不同漂移区长度d下,擎住电流的计算和仿真模拟值.

图3 模拟晶闸管的正向i-v特性曲线Fig.3 Forward i-v curve simulation of thyristor

表1 模拟值与计算结果（单位：A·cm－2）Table 1 Simulation results and calculated values（A·cm－2）

表2 不同漂移区长度下模拟值与计算结果Table 2 Calculated length of drift region under different simulated value

从表1可以看出模型计算出来的值和仿真结果值较一致,两者之间的差别较小,由文献可知,擎住电流一般为维持电流的2～4倍[15],表1中模型计算值符合要求；从表2可以看出不同漂移区长度下擎住电流密度不一样,仿真结果的变化趋势与模型计算的变化趋势是一致的,且随着漂移区长度的减小仿真结果与模型计算值之间的误差减小.为了进一步验证擎住电流的正确性,图4给出了采用模型计算的载流子浓度和仿真擎住电流时载流子浓度的对比.

图4 载流子浓度在计算与仿真下的变化Fig.4 Carrier concentration in calculation and simulation

由图4可以看出,模型与仿真得到的载流子浓度变化趋势是一致的；同时从图上两者曲线上有一定的差别,在器件长度300μm左侧时,模型计算值大于仿真结果载流子浓度,在器件长度300μm右侧,仿真结果值大于模型计算载流子浓度.两者出现差异主要是由于建立模型的时候对某些条件简化了如载流子寿命τ、载流子复合等.①在推导擎住电流过程中,载流子复合项只考虑SRH复合,没有考虑俄歇复合,最终得到式（5）,这样计算得到的载流子浓度偏大也就造成擎住电流偏大.载流子复合项对擎住电流的影响可以从图4中估计,在图4中可以看出两者相差的浓度差在1014cm－3数量级,利用式（13）算出电流密度大小约为0.073 A·cm－2.将表中擎住电流模型计算值减去0.073 A·cm－2后,与仿真结过比较,误差减小为27.5％.②在擎住电流计算式中,载流子寿命τ被看成是一个常数,但是在实际过程中,载流子寿命τ会随着载流子浓度的增加而变化.同时,载流子在内部的迁移率也与浓度相关,也是一个变化的量,这些变化量都会造成计算结果值偏大.而且器件的漂移区长度越短这种变化效应越不明显,从而擎住电流误差就越小,其结果如表2所示.

由上讨论可知,推导的擎住电流IL和维持电流IH的表达式是正确的.对于擎住电流的计算结果比实际的略大,主要原因在于假设了载流子寿命τ为常数和载流子复合；由于维持电流计算式中P型基区的薄层电阻和NPN晶体管的电流增益计算的简单化,所以计算出来的值也比实际的略小.

3 总结

通过对晶闸管导通机理的分析,推导出了擎住电流IL和维持电流IH的计算式.利用数值模拟的方法计算出晶闸管的擎住电流和维持电流,通过将模拟与计算的结果对比发现符合较好,验证了擎住电流和维持电流计算式的正确性.进一步表明,推导的计算式可以用于实际晶闸管的擎住电流IL和维持电流IH的计算,对于晶闸管的设计和制造具有较强的指导性.

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Thyristor Latching Current and M aintain Current

TANWei, LI Jianqing
（School ofPhysical Electronics,University of Electronic Science and technology ofChina,Chengdu 610054,China）

Thyristor latching current and maintaining current have important effects on its working state.With thyristor conduction characteristics latching current is derived from carrier density；Based on current gain of NPN transistor,maintaining current is obtained.Compared with simulation results of Sentaurus TCAD software,calculated results have good agreement.It shows correctness of the formula.

thyristor；latching current；maintain current；current gain

1001-246X（2015）06-0729-06

TN3

A

2014－11－05：

2015－04－09

谭巍（1990－）,男,硕士,从事半导体器件TCAD研究,E-mail：tanuestc＠163.com；

李建清（1975－）,男,博士,教授,博士生导师.主要从事半导体器件TCAD研究,及微波电子学、微波管CAD技术的基础研究