高壓晶閘管表面造型技術(shù)的改進(jìn)
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- 發(fā)布時(shí)間:2022-01-25 16:12
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【概要描述】近年來(lái),高壓晶閘管的應用獲得了長(cháng)足的發(fā)展,(4000~6500)伏的高壓晶閘管已廣泛投放市場(chǎng),在SVC靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補償裝置、發(fā)電機勵磁、大型同步機高壓軟起動(dòng)電源以及鋁電解等大型機電設備上都獲得了成功應用。國際上以ABB、EUPEC為代表,國內以西安電力電子技術(shù)研究所【1】、株州南車(chē)時(shí)代電力電子事業(yè)部為代表都有多年高壓晶閘管研制生產(chǎn)的成功經(jīng)驗。
高壓晶閘管表面造型技術(shù)的改進(jìn)
【概要描述】近年來(lái),高壓晶閘管的應用獲得了長(cháng)足的發(fā)展,(4000~6500)伏的高壓晶閘管已廣泛投放市場(chǎng),在SVC靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補償裝置、發(fā)電機勵磁、大型同步機高壓軟起動(dòng)電源以及鋁電解等大型機電設備上都獲得了成功應用。國際上以ABB、EUPEC為代表,國內以西安電力電子技術(shù)研究所【1】、株州南車(chē)時(shí)代電力電子事業(yè)部為代表都有多年高壓晶閘管研制生產(chǎn)的成功經(jīng)驗。
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近年來(lái),高壓晶閘管的應用獲得了長(cháng)足的發(fā)展,(4000~6500)伏的高壓晶閘管已廣泛投放市場(chǎng),在SVC靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補償裝置、發(fā)電機勵磁、大型同步機高壓軟起動(dòng)電源以及鋁電解等大型機電設備上都獲得了成功應用。國際上以ABB、EUPEC為代表,國內以西安電力電子技術(shù)研究所【1】、株州南車(chē)時(shí)代電力電子事業(yè)部為代表都有多年高壓晶閘管研制生產(chǎn)的成功經(jīng)驗。
一,前言
當晶閘管器件被施加雪崩擊穿電壓時(shí),空間電荷區主要在承擔電壓的PN結(如晶閘管的J1結,或J2結)兩旁展開(kāi),體內電場(chǎng)強度達最大值。這時(shí),如果不加處理,表面處(又叫終端區)電場(chǎng)強度將可能超過(guò)體內電場(chǎng)強度,造成擊穿電壓降低。作為降低表面電場(chǎng)強度使其低于體內最大電場(chǎng)強度的技術(shù)有:表面腐蝕成型技術(shù)、PN結終端技術(shù)、磨角等機械造型技術(shù)、噴砂造型技術(shù)等等。前兩者適宜于中、低電壓的中小功率器件,后兩者適宜于中、高壓大功率器件。
表面造型技術(shù)是制造晶閘管的關(guān)鍵技術(shù)之一。將中、低電壓晶閘管的表面造型經(jīng)驗(如有的單位采用;正角磨30度,負角磨3~5度)簡(jiǎn)單移植到高壓晶閘管是不妥當的,必須依據高壓晶閘管的實(shí)際情況,作出新的研究改進(jìn)。這里常用的表面造型技術(shù)有三種:(1)雙正角造型,技術(shù)難度大些,高溫特性差些,適宜超高壓(6500V及以上)晶閘管。(2)雙負角造型,適宜于全壓接結構,對機械加工技術(shù)要求高些,獨有特點(diǎn)是方便于(1.0.0)晶向單晶的采用。(3)正負角造型,適宜于6500V及以下的高壓晶閘管,相對技術(shù)難度小些。
本公司自2003年起,在學(xué)習、借鑒國內外先進(jìn)經(jīng)驗的基礎上,開(kāi)始研制生產(chǎn)高壓晶閘管,首先采用的就是正負角造型結構。本文敘述的就是我們在高壓晶閘管正負角表面造型技術(shù)上的一些研究改進(jìn),這些改進(jìn)工作連同整個(gè)設計技術(shù)工作一起確保了高壓晶閘管研制生產(chǎn)順利進(jìn)行。
二,正斜角造型的研究改進(jìn)
1),無(wú)論是采用腐蝕、磨角、噴砂,對J1結(由P1N1P2N2構成的晶閘管,其P1N1結即J1結)來(lái)講,往往都成正斜角。這里所謂正斜角,即斜面面積由高濃度向低濃度方向減少的造型。
戴威斯(Davies)和金特立(Gentry)給出了峰值表面電場(chǎng)強度Em和表面造型角度θ對應關(guān)系的計算結果【2】、(見(jiàn)圖1)。奠定了表面造型技術(shù)的理論基礎。由文獻【2】和圖1知道:對正斜角,即使不造型,表面空間電荷區的電場(chǎng)都不大于體內最大電場(chǎng)強度,且由正90度向0度方向減少,表面最大電場(chǎng)強度雖然深入到體內,但仍然是呈單調下降的趨勢。為了使因造型而損失的陰極面積減到最小,斜角取接近90度為好,考慮到腐蝕、鈍化保護的需要,最小正斜角也要大于60度。而傳統的正角磨角器最大只能磨35度,為此必須采用噴砂造型。
2),表面空間電荷區寬度和體內空間電荷區寬度的關(guān)系式
以下給出:在P+N結正斜角造型時(shí),表面空間電荷區寬度和體內空間電荷區寬度Xm的關(guān)系式【3】。
令θ1為正斜角,腳標1是為和以下的負斜角θ2相區別,Xm為體內空間電荷區寬度,Xms 為表面空間電 荷區寬度??梢宰C明:
證明如下:如圖2:當器件外加反向電壓VR時(shí),空間電荷區在PN結兩邊展開(kāi),N基區展寬為Xm,P+區展寬為 Xm(P)由于P+區高濃度,展寬Xm(P)和Xm相比可以忽略。這樣,總的體內空間電荷區寬度仍可記為:Xm。
表面磨一正斜角θ1,不考慮表面再展寬的表面位置為A,再展寬以后為B,利用電中性原理,磨去的△OAD和上翹的△CAB面積應相等。故有: AB=AD。
由圖2知:AD=ODctgθ1 ,OA=OD/sinθ1 , OD= Xm。而表面空間電荷區寬度Xms就是OB, OB=OA+AB
進(jìn)一步,由B點(diǎn)向PN結位置線(xiàn)作垂線(xiàn)得上翹高度為XmsG:
XmsG=(1+cosθ1)Xm ············(2)
由公式(1)(2)和表1更加清晰地說(shuō)明:
(1),Xms始終大于Xm,即正斜角時(shí),表面電場(chǎng)強度始終低于體內最大電場(chǎng)度,說(shuō)明正斜角造型適合于雪崩型器件的研制生產(chǎn);
(2),小正斜角θ1將導致Xms,進(jìn)而XmsG 過(guò)大,不僅因Xms大而造成表面漏電流過(guò)大,且因XmsG 過(guò)大而延伸到P2區,則因穿通而導致耐壓降低;
(3),要想使XmsG不超過(guò)Xm的30%,則θ1必須大于73度。這更進(jìn)一步說(shuō)明采用噴砂造型,并使正斜角θ1?。?0~80)度角的道理。 三,負斜角造型的研究改進(jìn)" width="12" height="23" alt="" /> 對晶閘管的J2結(由P1N1P2N2構成的晶閘管,其P2N1結即J2結)來(lái)講,往往都造型成負斜角,且常常用θ2來(lái)表示。這里所謂負斜角,即斜面面積由高濃度(如P2區)向低濃度(如N1區)方向增加的造型。
由文獻【2】和圖1還可以知道,只有在15度左右以下的負斜角造型,其表面的電場(chǎng)強度(用Ems表示)才能低于體內最大電場(chǎng)強度(用Em表示,如:Em≥2×105V/cm)。對高壓晶閘管,這個(gè)負斜角要很小很小,如1度~3度左右,甚至要小于1度。對1度左右的負斜角造型,不僅工藝上很難實(shí)現,且造成陰極的有效面積大大減少。
1973年,科紐(Cornu)【3】對負斜角造型作了深一步的研究,發(fā)現最大表面電場(chǎng)強度Ems出現在表面以?xún)?5微米處(稱(chēng)謂次表面),且比體內Em還要大些,即使很小很小的負斜角,往往因次表面電場(chǎng)仍高于Em,器件仍不能達到理想的擊穿值,和正斜角造型相比,采用負斜角造型總是要損失一部分電壓的。
1976年~1978年,坦普爾(Temple)和艾德勒(Adler) 【4】【5】對負斜角造型作了更深一步的研究,給出了歸一化的Ems/Em~θ2的關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3),給出了著(zhù)名的有效負斜角公式(見(jiàn)公式3),奠定了高壓晶閘管,特別是(4000~6500)伏高壓晶閘管真正實(shí)用化的基礎。
有效負斜角θeff和實(shí)際的負斜角θ的關(guān)系式為:
(3)式中:
θeff:有效負斜角,θ:實(shí)際造型的負斜角;
w:低濃度側,即晶閘管長(cháng)基區的空間電荷區的展寬寬度,w =Xm;
d :高濃度側,即晶閘管短基區的空間電荷區的展寬寬度,d=Xm(p2)。
當d=w時(shí),即線(xiàn)形結下得到的擊穿電壓為最高。當d=0.2w時(shí),θeff=θ,
說(shuō)明:公式(3)中的系數0.04就是w/d=5時(shí)的修正因子。
圖3中,VB是沒(méi)有負斜角影響的最大雪崩擊穿電壓,即Em對應的雪崩電壓。V是與有效負斜角θeff對應的最大轉折電壓。
由圖可見(jiàn):如當θeff=3.5?時(shí),歸一化比值為0.9,即該有效負斜角θeff所決定的轉折電壓V對平行平面結轉折電壓VB的比值V/VB=0.9。采用θeff=3.5?,表明用10%的電壓損失去換取操作容易,導通面積保證,這才是真正行得通的好辦法。
從公式(3)很容易導出其等效公式(4)的形式:
從表2可以看到,若使真實(shí)的負斜角θ2不至于過(guò)小,在高濃度側,即短基區的空間電荷區寬度Xm(p2)必須足夠寬,這顯然要求一次擴散的前沿濃度要很低很低。采用低濃度、長(cháng)時(shí)間、深結深的鋁P型擴散可以實(shí)現這一要求。而決定晶閘管動(dòng)態(tài)特性、觸發(fā)特性的短基區橫向電阻率則主要由鎵擴散來(lái)完成。假定 =3.5?,則依據公式(4)和表2,可以給出晶閘管的縱向結構的參考設計來(lái)。
以下以表3的形式給出公式(4)及表2在高壓晶閘管器件設計上的應用
由參考設計表3,可以得到下面兩個(gè)結論:
(1),有了Xm(P2),考慮到一定的有效短基區寬度(通常用Wep2 表示)以及二次擴散結深的要求,則可以確定一次擴散結深Xj1的寬度。表3就給出了Xj1的參考數據。
(2),由Xm(P2)和θ2可以確定負斜角造型而形成的邊寬。如果正斜角θ1造型引起的邊寬為b1,令H為硅片厚度,則:
b1≥H·ctgθ1 ··············(5)
同樣,負斜角θ2,在短基區空間電荷區寬度Xm(P2)下,造成的邊寬設為b2,則有:
b2≥ Xm(P2)·ctgθ2 ··············(6)
有了公式(5),即使硅片厚度H=1.5,當θ1=75度時(shí), b1也要小于0.5。
有了公式(6),當θ2=2.5度, Xm(P2)=0.092時(shí), b2<2.2。即使θ2=1.5度,Xm(P2)=0.115時(shí),b2<4.4, 整個(gè)斜面造型的寬度也不超過(guò)5毫米。由此根據電壓的要求,確定了b2值,再按b2值噴砂成類(lèi)臺面(即按θ2 的數據,僅在b2寬度上噴砂,參見(jiàn)文獻【1】的類(lèi)臺面圖),則做出的高壓晶閘管不僅電壓滿(mǎn)足要求,且通態(tài) 參數得到了充分保證。由于類(lèi)臺面結構的采用,b2值還可以小些。 四,高壓晶閘管的研制和參數 除了和上面表面造型技術(shù)的研究改進(jìn)相協(xié)調,還要其它工藝的配合。諸如多次分步并始終和吸收共同進(jìn)
行的P型不對稱(chēng)擴散工藝的改進(jìn);提高長(cháng)基區少子壽命技術(shù)和輕度電子幅照降低少子壽命技術(shù)相結合的控制電流放大系數的技術(shù);高溫下的高壓測試以及反向恢復電荷測試技術(shù)、可靠的歐姆接觸技術(shù)等等。
以目前產(chǎn)量最大的K-PUK陶瓷管殼封裝的(4000~4500)V的KH型高壓晶閘管為例,給出其主要電熱參數的測試結果:
五,結語(yǔ) 按上述研究改進(jìn)工藝,成功地生產(chǎn)了市場(chǎng)急需的各種高壓晶閘管,量產(chǎn)化的高壓晶閘管器件電熱參數
均達到或接近了國內外的先進(jìn)水平。
研究改進(jìn)工作得到了公司領(lǐng)導夏吉夫的鼎立支持和幫助,馮懷樹(shù)、李道本等參加了實(shí)驗研究,特致謝。
參考文獻 【1】,孟慶宗 陸劍秋等:φ100特大功率晶閘管的研制 第六屆電力電子學(xué)年會(huì )論文集(1997.6)71~77; 【2】,R.L.Davies and F.E.Gentry:“Control of Electric Field at the Surface of p-n Junctions”, IEEE Trans. Electron Devices, ED -11, 1964; 【3】,陳泉誠:高溫勵磁整流管的管芯造型電力電子技術(shù) [1986 (4)] 62~66;【4】,J.Cornu:“Field Distribution Near the Surface of Beveled p-n Junctions in High Voltage Devices”, IEEE Trans.Electron Devices, ED-20, 1973; 【5】, V·A·K·Temple and M·S·Adler:“The Theory and Application of a Simple Etch Contour for Near-Ideal Breakdown Voltage in Planar p-n Junctions”,IEEE Trans.Electron Devices,ED-23, 1976; 【6】, M·S·Adler and V·A·K·Temple:“Accurate Calculations of the Forward Drop and Power Dissipation in Thyristors”IEEE Trans.Electron Devices, ED-25, 1978;
潘峰:男,遼寧錦州人。宜昌市晶石電力電子有限公司副總經(jīng)理,工程師,1972年出生,大學(xué)本科,研究方向:電力半導體器件
聯(lián)系電話(huà)和E-mail:
潘 峰:13704963488
韓 娜: hanna1973@163.com 潘福泉:13997712236 panfuquan232@sina.com 載于:
1)中國電力電子學(xué)會(huì )第11屆學(xué)術(shù)年會(huì )論文集 2008 11 15中國 杭州 P179
2)電力電子技術(shù) 2008 12 P57
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