如何保证晶闸管放大门极真正起作用

晶闸管作为开关器件，开通时间是其非常重要的参数之一，而开通时间则取决于阴极面版图的阴极、门极的设计，为了获得更快的开通时间，就需要在设计上兼顾阴极过电流面积的基础上，增加门极导通面积，使晶闸管在中心门级进行一次触发后，能够迅速的进行大面积的二次触发，使晶闸管迅速的开通。

【关键词】晶闸管 放大门级 作用

1 引言

要想保证放大门极真正起作用，或者使放大门极基础上发展的交叉指状门极起作用，不能通过计算等理论分析确认结论，而必须对样片进行测试，证明放大门极的作用，在工艺上也要采取相应方法使之达到放大效果。

2 理论分析与设计

晶闸管的开通时间是指器件由阻断状态在门极加入一个特定的电流脉冲后，晶闸管由断态转入通态所需要的时间。其波形见图1。图中Ig表示门极电流，Ia表示阳极电流，Ua表示晶闸管两端施加的电压。从图1中可以看到，晶闸管的开通时间分为三部分。

2.1 第一部分：延迟时间

此时晶闸管的J2结仍然处于反向偏置状态，主要是J2结的时间及载流子的渡越时间，一直持续到载流子放大系数（α1+α2）=1为止，见图1b曲线0～1段；

2.2 第二部分：上升时间

晶闸管从载流子放大系数（α1+α2）=1到（α1+α2）≥1，直至J2结有一小部分区域变成正向偏置，见图1b曲线1～2段；

2.3 第三部分：扩展时间

晶闸管从局部导通一直扩展到全面积导通的一段时间，见图1b曲线2以后区域。

晶闸管采用放大式再生门极结构，可以大大缩短器件开通时间。放大门极结构如图2所示。它的工作过程是门极对主晶闸管阴极加正向电压，电流Ig（忽略表面漏电流）从门极经等效电阻R1和小晶闸管阴极N20下等效电阻Rgo经主阴极N21下面等效电阻Rg1流入第一排短路点，当Ig大至Ig×Rgo≥Vo时，小晶闸管P1N1P2N20开通。阳极电流通过P2N20，由小阴极流向主阴极，此电流途径Rg1使Ig1Rg1≥VO，从而使主阴极开通，主晶闸管开通后，将辅助晶闸管短路，小晶闸管关闭。由于主电路电压较高，电流较大，故实现了强触发，交叉指状结构或渐开线结构是在此基础上将放大门级面积增大，延长线加长，从而使二次触发面积加大，保证大面积阴极同时导通。

我们首先分析一下放大门极起作用的条件，在这种情况下，如果忽略Ig1（表面漏电流）和Ig2（通过P2N2注入电流），要使辅助小晶闸管先于主晶闸管导通，使放大门极能起作用，则要求N20下面电压先于N21下面电压先达到VO（0.5～0.6V），因此放大门极先起作用的条件为：Rgo>Rg1

因为Rgo=ρp2×ln（rg2/rg1）/2πWp2

Rg1=ρp2×ln（r1/r0）/2πWp2

所以只有在rg2/rg1>r1/r0时，Rgo>Rg1

在α1和α2足够大，则晶闸管触发电流电压为：IGT=VO/Rgo，VGT=Ig（R1+Rgo+Rg1）=VO（R1+Rgo+Rg1）/Rgo

由于放大门极外延到阴极内沿的横向电阻RO一般较小，式中忽略不计。

若考虑到表面漏电流，则IGT要较此大一些，即：IGT=Ig1+VO/Rgo

要减少门极触发电流IGT，要减小J3结表面漏电流IG1外，要求Rgo或Rg尽可能大，但这样又会使VGT增加，必须综合考虑，使IGT小同时触发功耗亦小，即PGT=VGT×IGT

要想保证放大门极真正起作用，或者使放大门极基础上发展的交叉指状门极起作用，不是简单计算一下，画个图就可以了，还必须对样片进行测试，证明它起作用，在工艺上也要采取相应办法使之很好的起作用。

如何通过测试的方法证明放大门极起作用呢？可以首先定义一下，一次触发电流IGT和二次触发电流IGT1，所谓一次触发电流是用门极和阴极之间的电流触开放大门极所需最小的电流；所谓二次触发电流是用放大门极作为门极去触发晶闸管所需最小电流。我们分别测出芯片这两个数值进行比较，来确定放大门极起作用及作用的大小。

用门极去触发阴极即是IGT，它的大小应反映Rgo（横向电阻）的大小，而用放大门极去触发阴极即IGT1，即二次触发电流，它的大小反映Rg1（横向电阻）的大小。即是说，如果IGT×Rgo=VO，辅助晶闸管开通；如果IGT1×Rg1=VO，那么主晶闸管开通，如果IGT

由于放大门极或交叉指状结构与主阴极的边缘线很长，故正常情况下IGT1很大。直接用门极对其驱动，需要门极提供过大的电流。所以通过放大门极，首先触开放大门极，用阳极电流做为触发电流去触发主晶闸管。如果想比较放大的效果，可以用K=IGT1/IGT来衡量。这是最小电流放大倍数，因为辅助晶闸管提供的阳极电流不只是这个值。然而是不是IGT1越大越好呢？答案是否定的。因为放大门极的交叉指状结构与主阴极边缘线长，故而要注意不要产生局部短路，也要避免表面漏电流过大使IGT1中无效部分过大，这样使二次触发电流过大，放大门极吃力，甚至烧毁，而且主阴极导致开通不均匀。

所以，在工艺方要求一方面光刻对版要精细，不产生阴极铝层压住P2，也不要放大门极铝层压到N2，铝层要彻底断开。并建议在反刻铝后带着保护胶用混酸对分界区轻腐蚀，去除表面漏电，减小无效电流。

3 结束语

对于高di/dt的晶闸管，必须要使放大门极真正的起作用，设计较为复杂的放大门极图形，并合理设置放大门极和阴极的第一圈短路点，当加门极触发电流时，放大门极首先导通，从阳极流过来的电流经过放大门极与门极触发电流共同去触发阴极，同时使di/dt的耐量得到显著的提高。

作者单位

阜新市天琪电子有限责任公司 辽宁省阜新市 123000