引入表面复合中心对晶闸管高温漏电流的影响

薛志亮

摘 要：该文对晶闸管的高温漏电流做了简要介绍，列举了减小高温漏电的常规方法，详尽叙述了引入表面复合中对减小高温漏电的作用，并从机理上进行了探讨，给出相应结论。改进散热条件可以使温度和漏电保持在某一临界值以下，然而尽可能降低高温漏电流，是设计制造器件核心内容之一。

关键词：晶闸管 复合中心 高温漏电流

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（b）-0036-02

1 引言

晶闸管在开通、关断和通态时，有一个能使器件温度增高的功耗值，导致管芯始终处于高温状态，高温阻断下的漏电流必须控制在一定范围，否则会引起器件失效。改进散热条件可以使温度和漏电保持在某一临界值以下，然而尽可能降低高温漏电流，是设计制造器件核心内容之一。

1.1 晶闸管的高温漏电流

晶闸管的漏电流包括三个部分。

（1）体内少数载流子扩散到空间电荷区后被电场拉过去所形成的扩散漏电流：JS（扩散漏电流）=q（DPpn/Lp+Dnnp/Ln）。

pn、np为N区空穴浓度和P区电子浓度；

Lp、Ln为N区空穴扩散长度和P区电子扩散长度。

根据公式，温度愈高，少数载流子平衡浓度愈高，扩散长度愈短，浓度梯度就愈大，扩散漏电流也就愈大。

（2）空间电荷区内载流子产生所引起的产生漏电流。

空间电荷区产生电流I=qGXmS

式中：Xm为空间电荷区宽度；S为PN结的面积。

产生率G=ni[2（てP0てn0）1/2cosh（ΔE/kT+1/2lnてP0/てn0）]1/2

式中：てn0为P区的少子寿命；てP0为N区的少子寿命；

ni为本证硅中的载流子浓度；T为绝对温度；k为玻尔兹曼常数；ΔE为和复合中心是什么元素有关的一个量。

比较扩散漏电流和产生漏电流，后者比前者大得多。随着温度的提高，载流子浓度ni增加很快，两者总的漏电流增加也是很快的。

（3）表面状态所引起的泄露电流。

在PN结表面，由于各种原因寿命往往低于体内，同时表面的空间电荷区也比体内大以保证一定的耐压水平，因此，产生电流很大，尤其是在表面吸附电荷时情况就更为复杂。例如：负电荷形成P沟道，相当于增加PN结的面积，使漏电增大。

1.2 减小晶闸管高温漏电流的常规措施

针对上述原因，在研制生产过程中常采用以下几种方法减小高温漏电流：

（1）制造具有雪崩型硬击穿J1和J2结。

雪崩型硬击穿，漏电流比较小且随温度变化小。而软击穿，其漏电流在室温下就较大，随着温度升高漏电迅速增加。

（2）将PN结表面做成一定的斜角，改善结的终端电场分布。

正斜角在30°～50°对晶闸管反向漏电流的影响微乎其微，负斜角从4°调到5°，或从5°～7°，漏电流可以减小20%以上。

（3）采取适宜的表面处理，减小离子沾污，消除缺陷，恰當地保护材料，高温下表面泄露漏电流会明显减小。

（4）采用短路发射极结构。

短路发射极结构，利用PN结的内部矛盾，在较大电流时α2很大保证开通特性，在小电流下使得α2很小，接近为0，从而减小了高温漏电流。

（5）电子（或中子）辐照。

进行辐照，可以降低基区少子寿命，产生漏电流进而减小。

（6）增加片厚。

根据设计电压，电阻率确定以后，扩散参数一定时硅片越厚，电流放大系数α1α2越小，高温漏电流越小。

（7）降低电阻率。

当硅片厚度一定时，达到设计电压条件下，选择较低电阻率，空间电荷区Xm相对较窄，可使高温漏电减小。

1.3 引入表面复合中心对降低高温漏电流的作用

利用上述常规途径来改善高温特性，降低高温漏电流，各有弊端及适用条件。增加片厚，通态压降会明显增加，对动态参数不利，同时成本上升；降低电阻率，势必会降低电压水平；采用电子辐照固然能够降低高温漏电，但其只能针对少子寿命高引起的漏电大，其成本较高，不宜大量采用。

经长期研究发现，在工艺实施过程中，适当阶段引入表面复合中心能有效降低器件的高温漏电流，技术经济效果非常明显。

复合中心是半导体中能够促进非平衡载流子复合的一类杂质或缺陷。其中包括以下几点。

（1）金、铜、铁等深能级杂质。

（2）辐照或温度剧烈变化产生的晶格损伤。

（3）研磨、打毛等造成的缺陷。

其中：（1）主要形成是体内复合中心。（2）形成体内及表面复合中心。（3）主要形成表面复合中心，通过高温可形成体内复合中心。

实践证明，在适当阶段引入表面复合中心对不同杂质扩散如镓铝、硼铝系统都有相同效果；对阴极阳极分别引入则有所区别：阳极面引入，正反向高温漏电流可降低15%～20%，阴极面引入，反向高温漏电可降低20%，正向高温漏电流可降低50%～100%；双面引入，则共同作用效果更佳。

（1）表面复合中心对电流放大系数的影响。

阳极表面复合中心导致阳极空穴复合几率增加，J1结注入比减小，α1减小，渡越J2结并被J3结收集的空穴也减少，α2也减小；同理阴极面复合中心使α2首先减小，接着是α1的减小；α1减小带来反向漏电流下降，α2减小带来正向漏电流下降，因为高温下α2比α1大得多（高温时α1≈0.2～0.3；α2≈0.7～0.8），所以正向漏电流下降的幅度远比反向大。无论在阴极面还是在阳极面引入复合中心，都能使得两个发射极注入比减小，而达到正反向漏电流都减小的目的。

（2）复合中心降低少子寿命。数据证明，表面复合中心的引入，经高温处理后，长基区少数载流子寿命τp降低30%～50%，虽然扩散漏电流略有增加，但产生漏电流显著减小，总的漏电流还是减小了。

（3）引入复合中心形成良好的欧姆接触。阳极面改进了烧结沾润效果，减少了空洞，同等条件下使结片温升下降，对减小漏电有利；阴极面改善了短路点的作用，高温下漏电流更易于从短路点流出，减小了J3结注入，使正向漏电流进一步减小。

（4）制造表面缺陷，引入弹性应变，减少热氧化层错。

氧化层错是硅片经热氧化处理，在硅中特别是在硅表面附近产生的一种层错缺陷。氧化层错通过其边缘的不全位错，具有增强扩散和吸收杂质的作用，使PN结反向漏电流增大。引入表面复合中心可以形成弹性应变，作为点缺陷和杂质的吸收源，减少成核中心，抑制层错长大，一定程度上避免了少子寿命过于降低，因而达到减小漏电流的作用。

2 结语

引入表面复合中心，能够使电流放大系数减小，抑制热氧化层错，适当降低了少子寿命，改进了欧姆接触，达到了减小晶闸管高温漏电流的目的，成本低效率高，具有普遍的实用性。

参考文献

[1] 顾廉楚.电力半导体器件原理[M].机械工业出版社，1988.

[2] 黄汉尧，李乃平.半导体器件工艺原理[M].上海科学技术出版社，1985.