脉冲功率晶闸管制造工艺的数值模拟研究

摘 要：本文对脉冲功率晶闸管制造工艺的数值模拟进行了研究。主要论述了设计大尺寸晶闸管的技术，说明了明确晶闸管各个参数的重要性，并对其制作工艺的数值进行模拟研究，以保证晶闸管的质量。

关键词：脉冲功率晶闸管；数值；模拟

中图分类号：F40 文献标识码：A

1 晶闸管的参数设计

晶闸管的设计也就是晶闸管各参数的计算问题，要知道怎样设计一个晶闸管，就得先明确晶闸管的几个重要参数以及设计的任务。对于一个晶闸管来说一般需要满足以下几方面的要求：正反向阻断电压、控制极特性、正向压降、承受di/dt的能力、承受dv/dt的能力、过载能力、开关时间。在计算时应考虑到工艺上实现的可能性以及制造过程中的种种需要。在本次设计中我们主要设计一个大尺寸晶闸管，并为改善晶闸管的高温特性和动态特性，在其阴极采用分布式阴极发射区短路点和阴极发射区周边的短路环结构。

晶闸管的纵向结构基本是用扩散方式形成的，对原始的n型硅进行p型一次扩散，从而可以形成对称的p-n-p结构，然后在对其单边进行n型扩散，从而形成阴极发射区。这是一种用最简单的晶闸管制造工艺来制造的p-n-p-n四层基本结构。但往往与理论同，还会增加一层节含高浓度载流子的P0区，形成p-p-n-p-n五层结构。

2 晶闸管的设计结果

在4000V耐压，0.7V阀值电压的要求下的设计结果：（1）通过设计，我们可取N1的厚度为660μm，P0为12μm， P1为28μm。因为选取对称结构，故N2的厚度也取为12μm，取P2层厚度为（28+12）μm。（2）N1的杂质浓度为2*1013原子/立方厘米， P0发射区表面浓度层为4*1019原子/立方厘米。N2的杂质浓度为1*1020原子/立方厘米。其中将P2基区分为两部分，掺杂深而低的部分可将浓度取为2*1016原子/立方厘米；掺杂浅而浓的部分可将浓度取为4*1017原子/立方厘米。因为我们所设计的晶闸管为对称结构，故P1的浓度可以取为2*1016原子/立方厘米。（3）接下来主要设计分布式阴极发射区短路点及阴极发射区周边的短路环。阴极发射区短路点是为旁路晶闸管两发射结而设立的电阻性连接，阴极短路点的运用能以一种工艺的方法提高正向阻断电压和器件的dv/dt耐量。由于在此次设计中，我们将会在大尺寸晶闸管上设置短路点和短路环，并且选取了ds=250μm，Ds=1000μm。故有16个小阴极，且每个小阴极的宽度为750μm，取晶闸管的尺寸为直径20mm。在大尺寸晶闸管上设置短路点和短路环，并由于晶闸管的尺寸为直径20mm，故短路环的长度设为500μm。

3 大尺寸晶闸管建模仿真研究

明确大尺寸晶闸管具体的尺寸、参数及结构后，接下来要做的就是结合上述参数对功率晶闸管进行建模仿真，并对其进行相关的特性分析，主要研究其门极触发特性及正向击穿特性。

3.1 大尺寸晶闸管的建模

为了检验所设计的功率晶闸管是否满足要求，就必须先建立此功率晶闸管的模型。然后对其性能进行参数仿真验证。我们可以利用ISE TCAD中的MDRAW软件对功率晶闸管进行建模，对大尺寸晶闸管的建模过程中，还需加入分布式阴极发射区短路点和阴极发射区周边的短路环。

以参数为基础，我们可以对大尺寸功率晶闸管进行建模，在设计大尺寸晶闸管时，在其阴极设置了分布式阴极发射区短路点和阴极发射区周边的短路环，建立的大尺寸晶闸管模型。由于大尺寸晶闸管的尺寸远大于其厚度，无法清晰观察其模型，故将阴极发射区周边的短路环及分布式阴极发射区短路点放大，以便观察。

3.2 门极触发特性研究分析

我们对器件阳极施加10V的正偏压，对器件的门极电压进行扫描，提取阳极电流的变化曲线，得到器件转移特性曲线。当门极电压小于 0.7V时，阳极电流很小，几乎为零，此时器件处于截止状态；当门极电压大于0.7V时，阳极电流迅速成线性增长。故由仿真结果知，此晶闸管的阈值电压为Vth=0.7V。由于门极电压越高，越能防止晶闸管由于漏电流而误导通，故其性能较好。

3.3 正向击穿特性仿真研究

对其击穿特性的仿真，也即对正向阻断特性进行仿真，在做击穿特性分析时，需在阳极接一个阻值较大的电阻。因为在脉冲功率晶闸管器件发生击穿之前，电流很小，基本上为常数。此时，采用压控扫描就能够很好地工作。但是一旦正向击穿之后，一个很小的阳极电压变化都会导致阴极电流的显著增大，此时，采用压控扫描很难收敛。从击穿前的压控扫描转到击穿后的流控扫描是最有效的方法，因此需要在阳极接一个大小合适的电阻，阻值必须足够大（取为10^9欧姆），保证击穿后绝大部分电压降落在电阻上。通过试验获得此大尺寸功率晶闸管击穿电压高达6000V，明显高于设计时预测的耐压4000V，证明其分布式阴极发射区短路点和阴极发射区周边短路的环起到了十分明显的作用。

结语

综上所述，在本文中设计大尺寸晶闸管，对晶闸管参数进行了确定，通过各种参数进行功率晶闸管进行建模仿真，并对其门极触发特性及正向击穿特性进行研究，证明在设计大尺寸晶闸管中，门极触发特性性能优良，分布式阴极发射区短路点和阴极发射区周边短路的环起具备良好的效果。

参考文献

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[2]戴玲，董汉彬，林福昌，等. 脉冲功率晶闸管的小型化[J]. 电工技术学报，2012.

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