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静态感应晶闸管的埋置式开关特性

电子与信息工程学院，兰州交通大学，兰州730070学院，中国； 2Institute of Microelectronics, School of Physical Science amp; Technology, Lanzhou University,研究所微电子，物理科学与技术学院，兰州大学， Lanzhou 730000, China兰州730000 ，中国

2013年10月16日2014年2月3日收到

摘要 西斯开关的特性不仅取决于channel between the gate regions, but also affected by the external gate driving circuit.通道之间栅极区的电导调制，而且还受外部栅极驱动电路。切换过程的物理机制和行为的基础上，深入研究了西斯的制作实践。本文首先提出了西斯材料其开关性能、几何结构参数和工艺参数进行了分析采用二维动力模型，。一系列的最佳工艺方法已被开发用于提高西斯的开关特性。一个通用的测试电路的设计得到更准确的切换参数和更稳定的开关过程与低功率消耗。开关时间Ton和Toff分别从0.2mu;s和1.2mu;s降到to 0.08 mu;s and 1.0 mu;s, respectively, and the dynamic dv/dt value of more than 1000 V/mu;s at switching-off isobtained.0.08mu;S和1mu;，分别和动态的dv / dt值超过1000 V /mu;在关掉了

关键词 静电感应晶闸管，开关性能，势垒，二维动力mode模型，栅极驱动

引用 刘氏，刘，白，静态感应晶闸管的开关性能。 Sci China Inf Sci, 2014, 57: 062401(8), doi: 10.1007/s11432-013-4955-x中国科学信息科学，2014，57，062401（8），DOI：10.1007/s11432-013-4955-x

1引言

静电感应晶闸管最突出的优点（SITH）是其完成切换功能。西斯的操作范围比传统的硅功率器件的基础更广泛，特别是在高工作频率[ 1 ]。切换过程中涉及到的操作条件之间的两种状态，如进行封闭状态的转换。它已被发现的性能的设备的强烈影响的开关状态[ 2 ]。西斯的开关特性，不仅在门区之间的通道电导调制的决定，还受到外部测试条件[ 3 ]。器件的结构对开关性能的影响可以通过完美的外部栅极驱动电路补偿，通过它，在通道中的积累载流子可以快速地抽出或正电荷穿过外部栅极端子进入空间电荷层的速度尽可能快。因此研究和制造设备的完善设计切换过程深刻物理行为和机制意义重大。然而，在西斯的研究最重视的I-V特性[ 4 ]，关键制造技术[ 5 ]和应用领域[ 6 ]。西斯的转换过程，介绍利用二维动力学模型，本文基于西斯制造过程中首先提出了。材料的影响，器件结构和工艺对开关性能参数进行了分析，提出了一些优化配套技术措施提高西斯的开关性能。

2样品的制备

为了研究西斯的开关性能，制作了一个简单的制造工艺和高击穿电压的埋门扩散阴极结构。一个定位3–5◦N型硅单晶，掺杂4times;1.4cmminus;3磷浓度制备上一个电阻80–100Omega;·厘米外延层生长[ 7 ]。约70mu;M结深的P 阳极区的形成是通过高密度的硼原子扩散到样品在1250◦C. 该晶片的研磨和抛光，以小于320mu;m后扩散然后进行了约500mu;m的二氧化硅层的热氧化，并通过选择性蚀刻和硼扩散的定义的一个外延层（R = 5000–50000Omega;/）生长成厚度约12–16mu;m在1180◦C以SiCl4外延。其次，磷沉积和驱动为掩蔽在1050◦C形成一个R = 1Omega;/电阻阴极区定义的窗口。台面的窗户被打开了，随后在HF化学蚀刻：硝酸：HAC = 1：5：0.5室温。然后，在所覆盖的晶片上的栅极接触孔的约300纳米的二氧化硅层。最后，阴极电极，栅极和阳极用直流溅射铝/钛/铂样品的两侧金属层和镍膜完成。

3对导通过程的分析

图1显示了西斯的通道的电位分布在开关的操作 [8].[ 8 ]。在断开状态的西斯，势垒栅耗尽区建立和扩大对中心的通道。 这个势垒阻挡电子从阴极到阳极的流动。当一个正电压被施加到栅极，这将导致减少在沟道势垒，从阴极注入的大部分电子可以通过耗尽区的旅行。换句话说，P Nminus;结电容是带正电和栅极电流的形成。另一部分电子穿过势垒，向阳极漂移和扩散。同时，也有从阳极空穴注入Nminus;区域，和注入孔到达阴极漂移和扩散。电压仍然下降，主要是和在阳极上的二极管的电压降是非常小的，因此有轻微的开启发生在设备。这期间的时间门电压被施加到和轻微的开启状态结束时的时间被称为延迟时间。随着势垒的逐渐减少，大量的空穴和电子被注入从阳极和阴极的通道中，分别产生的高密度的等离子体，如图2（1）所示。该器件进入双极状态[ 9 ]。因此，大多数电子将向阳极移动，而向阴极孔。在这一时刻，由于正向阳极，栅极电流和积累的电子-空穴对的影响，在通道中的耗尽区的迅速收缩，直到它消失，最终消失。大电流产生的重组和中和作用空间漂移区中的电荷。设备的端子处的电压降减小，设备进入导通状态。在通道中没有潜在的障碍物，或障碍物被如图1所示。在这段时间内，这被称为上升时间，目前的增长非常快。

导通的过程包括栅极结电容的充电过程和阳极结电容。在栅Delta;PG和存储电子的阳极连接Delta;NA存储孔的变化都是数学分析。如果在栅极区的重组被忽略，存储在门连接的孔的连续性方程可以被写入。

在PG上存储栅孔，WG是门区的宽度，J是电流密度，vbigk是内置的势垒从阴极到内在门[ 10 ]，Delta;VG在栅极电压的实际变化，和DPG和液化石油气在门区的孔扩散系数和扩散长度。

在（1）的右侧的二次项对应于孔的电流密度漂流到阳极。考虑到Delta;VG vbigk，（1）可以减

然后时间花在tau;P栅孔积累可作为估算

同样，时间tau;N在阳极连接电子积累可作为估算

在Nminus;区厚度WB代替电子扩散长度，vbiba是阳极交界区扩散电位差。事实上，与栅极电位vbiba相比，vbigk在导通状态，可以忽略这么小。因此，导通时间可以表示为tau;P和tau;N产品，

考虑到能被改成

所以，Ton可减少通过减少空穴寿命tau;PG，门宽WG和N在实践中minus;区宽度WB

此外，从栅极到阳极的距离是提高开关的一个重要参数。在最大阻断电压的情况下，建立在潜在的vbiba将如果耗尽扩展到从门区阳极减少，这将导致空穴注入阳极和降低Ton增加。

4关于关断过程的分析

为了证明在更精确的参数的关闭过程的物理特性，建立了一个二维动力学模型。在关断过程中，栅极电流吸引了负偏置电压时存储在通道中的过剩载流子，因此电荷存储区从靠近栅极连接到通道中心的区域收缩。图2（1）和（2）演示过程的开始和结束状态。

在通道中的少数载流子的电荷Q1逐渐消失与血浆中的收缩。门反吸引电流IG和时间的电荷Q1的变化率之间的关系可以表示为

在上述过程中，栅极吸引电流也有不同的变化。承担的压降通道导电区，在高低结N Nminus;在阴极都是微不足道的，并让VGK和S表示反向栅极电压和通过相应的栅极电流流动的横截面面积。然后，阻力在DY范围距离y从大门通道连接rho;DY / s，在rho;是通道电阻率。在栅结的内建电势等于VT·LN（NAND / N2i），其中Na，并在门路口的施主和受主离子浓度。

让通道的宽度是2a，应用反向栅极电压可以写为

（8）的解决方案是

然后整合（7），我们可以得到

指少数载流子的浓度在通道的PC，我们有

替代（11）和（9）（10）

对应于二维关断阶段的时间。二维断路阶段完成，如图2（b），该装置变成一维的关闭过程[ 11 ]，对应的下降时间tf当导电区的厚度是少数载流子的扩散长度Lp。

假设少数载流子电荷在通道左边是Q2。考虑到这两个原因，在Q2的消失的结果，即吸引栅电流Ig和载流子的复合效应，电流通道可以切断最终因邻近门体之间的耗尽层的融合。因此，电荷Q2的衰变率是由

少数载流子电荷Q2

替代（9）和（14）（13）我们有

结合方程（12）和（15），我们已经关闭西斯时间如下：

因此，关断过程取决于电子和空穴的提取速度，根据上述分析。关机时间是首先通过栅极反向吸合电流确定，重组的速度和积累的少数载流子的数量。因此，toff可以减少通过减少载流子寿命。tau;EFF和掺杂硼原子浓度较高或增加扩散长度Lp根据（16）

5.开关特性测试

由（6）和（8），这是一个独特的内部结构，和西斯的制造工艺决定了其开关特性。为了忠实地再现动态参数，并获得稳定的响应曲线的开关性能从最佳的工艺过程，一个有效的测试电路也是必要的。在渠道基于负栅极电位相同条件下西斯的开关时间可以更准确的正电荷渗透迅速从外部门端到空间电荷层或更快的提取积累的运营商。因此，我们的实验中使用的一种有效的测试电路，包括栅极驱动回路与低阻抗（见图3）[ 12 ]。西斯是相当于一个P N低输入阻抗的结型二极管（约几欧姆）当一个足够的正电压被施加到栅极，使栅极区域之间的耗尽层的消失。由EG2和C3辅助回路是用来完成超额收费的快速提取遗留在西斯的通道和一个大的电阻R1（7 V）的设计减少了电流上升率和实现阻抗栅极驱动回路和西斯的相位是由断电本文对之间的匹配。

吸收回路由DS、CS和RS的目的是防止西斯失踪传导通过抑制电压上升率关断过程中，以减少低功耗和高截止电流。

6结果与讨论

实验样品进行了测试，由一个常规的栅极驱动程序，无辅助回路，也没有吸收组件，并通过设计的测试电路中示出在图3中的脉冲功率应用。测量结果列于表1。它是观察到一定的栅极偏置电压下–0.4吨0.08mu;和列表是1–6mu;当常规的测试电路，说明开关时间Ton和Toff是从0.2mu;S和1.2mu;的0.08mu;S和1mu;的降低，与[ 7 ]和工作频率的西斯典型切换参数分别大于100 kHz，采用先进的技术措施研究。通过两者比较 ，sets of experimental results shows that there is no apparent change in the key switching paramenters实验结果表明在关键的切换参数无明显变化 including turn-on time , turn-off time and operating frequency under two testing circuits, meaning that包括导通时间，关断时间和2个测试电路的工作频率，这意味着 the improvement of switching characteristic of SITh is mainly determained by the technology measure开关特性主要是由技术决定西斯的改进措施 proposed in this paper although the maximum toff is reduced slightly from 6.0 mu;s to 5.0 mu;s and the本文虽然是从6mu;最大纨绔的稍微下降到5mu; maximum output voltage rising rate dv/dt of more than 1000 V/mu;s at switching-off is obtained by using最大输出电压上升率dv/dt超过1000 V /mu;的开关是通过使 an auxiliary EG2 and C3 loop and the designed absorbing components.EG2和C3环和吸收组件设计。因此，我们实现一个更稳定的开关过程与低功率消耗。图4显示了西斯的实验波形，用我们的技术措施和栅极驱动电路中的开关过程。

为了提高开关特性，根据实验结果进行了以下技术措施。

1. 提高性能的开关，厚度漂移区Nminus;设计应足够小，避免故障的前提下，使耗尽区可能会延长P 栅区域的P 阳极区的阳极大孔注射。综合优化是WB＜（2.5–3）LP基于我们的实验以保证高电压能力和较低的正向导通电压。
2. 减小门接电容的充电时间，减少栅条的宽度，减少栅极带的宽度，而应适当增大通道面积和通道面积。
3. 为了提高栅极反向吸引电流，缩短开关时间，相对外延层杂质浓度低1–3times;1014 /厘米3是必要的minus;的击穿电压栅极和阴极之间的电容可以增加和有效地减少，分别因为更多的电子从阴极注入，并在通道中的势垒高度更容易控制的栅极-阴极电压的静态感应效应。

对于较小的toff扩散阻力应设置以下20Omega;/用硼掺杂浓度和扩散深度可能增加实验。

toff的栅极电压Vg和栅结深xj的关系示于图5（a）。可以看出，在切断与栅极电压Vg | |增加时间TOFF的减少（即最大吸合电流）。和toff是在扩散结深的增加急剧减少，但导致较高的正向导通电压如图5（b）由于载流子寿命短。约12mu;M扩散深度是一个适当的权衡之间的两个要求。设计在门的掺杂浓度为5minus;times;1020 /厘米3。PT作为一个较小的toff的栅电极材料和更好的欧姆接触的实验虽然最小关断时间可获得Au。

在切换过程中产生的功耗主要是在下降过程和尾部阶段必须考虑。开关功率损耗是由尾上冲峰值电流特别是高频率明显加快。利用最佳吸收电容器实现了快速开关速度和低功

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