CN100428425C - 门极换流晶闸管gct的门-阴极结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法，该方法包括，首先确定GCT的门-阴极横向尺寸，确定梯形阴极单元图形尺寸和单元外围尺寸，再确定梯形阴极单元的个数，最后确定每环排列的单元个数，将阴极指条设计为梯形状，按同心环排列在整个阴极面上，并且从里到外，梯形的面积逐渐减小。按本发明设计方法得到的GCT的门-阴极结构，不仅可以增加器件的有效阴极面积，使其在导通时流过更大的电流，而且对器件关断时电流的分布没有任何影响，从而使通态电流容量得到提高。

Description

门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法

技术领域

本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及晶闸管的门-阴极结构设计方法，具体涉及门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法。

背景技术

门极换流晶闸管GCT是一种新型的电力半导体器件，它是在门极可关断晶闸管GTO的基础上开发而来的。门极换流晶闸管GCT在现有的GTO管芯结构中附加了两项技术，即透明阳极p+区和缓冲层n区，由n+pn-np+构成，并通过硬驱动实现器件的开通和关断。它的门-阴极结构沿用了GTO的门-阴极图形，采用国际上普遍流行的矩形状指条按同心环排列的阴极发射极结构，该结构中分立的阴极单元像被一个个的被门极“大海”所包围的台面晶闸管。

GTO采用这种分立的阴极单元主要是为了解决开通和关断期间电流的均匀性问题，保证器件开关过程中不会发生电流集中而损坏器件，而且，这种分立的阴极单元直接影响GTO的di/dt耐量。在开通和关断的瞬态过程中，非均匀的电流分布会导致非均匀的功耗分布并引发局部温升，从而导致二次击穿的热斑出现。因此，指条状的门-阴极结构与GTO的开关特性密切相关。但是在这种结构中，阴极的有效面积即所有阴极指条的面积之和，仅仅占到硅片阴极总面积的25％，其他面积为门极和门-阴极间的钝化层及外围的磨角台面预留面积所占有，使得有效阴极面积较小，导致器件的电流容量受到限制。由于现有GCT的门-阴极图形与GTO的完全相同，因此，也存在同样的问题。

发明内容

为了解决现有的GCT门-阴极结构中有效阴极面积较小从而使电流容量受限制的问题，本发明的目的在于提供一种门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法，利用该设计方法得到的门-阴极结构，在不影响GCT器件开关过程中电流均匀性的前提下，能增加有效阴极面积，提高器件的电流容量。

本发明所采用的技术方案是，门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法，将阴极指条设计为梯形状，按同心环排列在整个阴极面上，并且从里到外，梯形的面积逐渐减小，该方法包括：

首先确定GCT的门-阴极横向尺寸

根据门极特性指标即根据实际需要的门极触发电流和触发电压来确定GCT的门-阴极横向尺寸，包括中心门极的半径r_g、第一环阴极指条到中心门极的内半径r₁、第二环阴极指条到中心门极的内半径r₂、第三环阴极指条到中心门极的内半径r₃、第四环阴极指条到中心门极的内半径r₄、第五环阴极指条到中心门极的内半径r₅、第六环阴极指条到中心门极的内半径r₆、第六环以上内半径，及阴极管芯外围台面磨角腐蚀的预留尺寸r_t、整个管芯的半径R、阴极指条间距D，阴极指条半间距d，且D＝2d，

其特征在于，该方法还包括以下步骤：

其次确定梯形阴极指条尺寸和阴极单元外围尺寸

根据矩形阴极指条最大可关断电流指标满足下式

和 $R_{\mathrm{kp}}={\mathrm{\ρ}}_{p2}\frac{w}{W_{P2}\·l}$

其中，V_BRJ3为J₃结的击穿电压，R_kp为电流垂直于径向方向的P基区横向电阻，ρ_p2为P基区的平均电阻率，W_p2为P基区的厚度，长度l取2.6mm～4mm，得到矩形防极指条宽度w，

确定阴极指条图形为梯形，梯形阴极指条的内边宽w_内＝w，梯形阴极指条高度h＝l，梯形阴极指条图形的面积为：

阴极单元图形外围尺寸：

内边宽W_内≈w_内+2d，外边宽W_外≈w_外+2d，高H＝h+2d，

阴单元图形的面积为：

再次确定阴极单元的个数

最大可关断电流I_TGQM与单个阴极单元的可关断电流的比值即为总的阴极单元个数；

最后确定每环排列的阴极单元个数

根据已确定每环梯形阴极指条内边到中心门极的间距r_i及梯形阴极指条高h及梯形阴极指条的间距2d＝D，可计算出每一环梯形阴极指条到中心门极的内周长L_内i，再除以阴极单元的内边宽W_内i，初步得到每一环的阴极单元个数，因为阴极单元的个数必须为整数，所以取整后即可确定每一环的单元个数N_i，再反推出每一环梯形阴极指条的内边宽w_内i和外边宽w_内i，

第一环梯形阴极指条到中心门极的内周长L_内1为：

L_内1＝r₁×2π

用第一环的内周长L_内1除以第一环梯形阴极指条内边宽和间距之和，即得到第一环内排列的阴极单元个数，

N₁＝L_内1/(w_内+2d)

对N₁取整后，再根据L_内1和N₁推出则阴极单元内边宽W_内1和阴极指条的内边宽w_内1分别为：

W_内1≈L_内1/N₁

w_内1≈W_内1-2d

第一环梯形阴极指条到中心门极的外周长L_外1为：

L_外1＝(r₁+l)×2π

W_外1≈L_外1/N

w_外1≈W_外1-2d

于是，第一环阴极单元面积S_单元1和梯形阴极指条的面积S_梯形1分别为：

第二环，第三环，以及第三环以上的单元数目及相关尺寸计算利用以下通式：

L_内i＝r_i×2π，

N_i＝L_内i/(2d+w_内)，并取整，

W_内i≈L_内i/N_i

w_内i≈W_内i-2d

L_外i＝(r_i+l)×2π

W_外i≈L_外i/N

w_外i≈W_外i-2d

i＝2，3，……

i＝1表示第1环，r_i表示第1环的阴极单元内边到中心门极的尺寸；i＝2表示第2环，r_i表示第2环的阴极单元内边到中心门极的尺寸，依此类推，

得到的各环阴极单元数目，按同心环排列，即完成了GCT的门-阴极结构设计。

本发明采用梯形状的阴极指条按同心环排列的阴极发射极图形结构，不仅可以增加器件的有效阴极面积，使其在导通时流过更大的电流，而且对器件关断时电流的分布没有任何影响，从而使通态电流容量得到提高。

附图说明

图1是现有的GCT的基本结构剖面和门-阴极结构，其中，a是基本结构剖面示意图，b是门-阴极发射极结构示意图；

图2是GTO门-阴极图形，其中，a是GTO芯片的门-阴极图形示意图，b是带有铝电极的GTO管芯门-阴极图形的放大图；

图3是中心门极结构示意图；

图4是最大可关断电流与阴极条宽度的关系图，其中横坐标表示阴极指条数，纵坐标表示最大可关断电流；

图5是阴极单元图形图，其中，a是现有的阴极单元图形，b是本发明的阴极单元图形；

图6是门-阴极单元图形外围尺寸图，其中，a是现有的阴极单元图形外围尺寸图，b是本发明的阴极单元图形外围尺寸图；

图7是阴极指条按同心环排列的门-阴极图形；其中，a是现有GCT(GTO)采用的矩形状阴极指条，b是本发明采用的梯形状阴极指条；

图8是按本发明方法确定的2000A GCT的门-阴极横向尺寸图；

图9是按本发明方法确定的2000A GCT的阴极单元图形，其中，a是门-阴极单元尺寸图，b是a的外围尺寸图；

图10是按本发明设计方法得到的2000A GCT门-阴极结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1a是现有的GCT基本结构剖面示意图，它是在GTO管芯结构中附加了透明阳极p⁺区和缓冲层n区，由n⁺pn^-np⁺构成，并通过硬驱动实现器件的开通和关断。它的门-阴极结构沿用了GTO的门-阴极图形结构，如图1b所示，另外，图1a中，G表示门极，K表示阴极，A表示阳极，J₁表示阳极发射结P⁺n结，J₂表示Pn-结，J₃表示阴极发射结Pn⁺结。

图2显示了GTO的门-阴极图形，其中b为带有铝电极的GTO管芯放大图。其阴极发射极结构为矩形状指条按同心环排列，中心区域的白色部分为中心门极(G)的金属铝，白色长细条为阴极(K)的金属铝，其余部分是门-阴极间的钝化保护区域。

GCT的导通特性和阻断特性与GTO完全相同，主要区别在于关断机理。GCT关断时，当主结(J₂结)的阻断电压还未上升之前，其阴极npn晶体管就已经截止(即J₃结截止)，主电流完全从门极流出，阴极并没有电流流过，所以，阴极指条面积的大小并不会影响其关断时的均匀性。对GTO而言，器件关断时阴极npn晶体管仍然工作，主电流中一部分被门极抽走，其余的完全经过阴极流出，所以GTO阴极单元图形的形状和面积直接会影响其关断性能。为了使GTO器件能正常、安全地工作，要求GTO的门-阴极图形必须由许多个形状和面积完全相同的矩形状指条的阴极单元按同心圆径向均匀地分布在其阴极面上，并且每个单元都有几乎相同的电流-电压特性，相同的载流子寿命和掺杂浓度，以保证所有单元都能同时开通和关断，且通过的电流尽可能相等。

正是考虑到GCT与GTO关断时的这点差异，本发期的设计思路为：在GTO的每个门-阴极单元中，让阴极面积保持不变、门极面积随位置而变，保证关断的均匀性；在GCT的每个门-阴极单元中，让门极面积保持不变、阴极面积随位置而变，保证从门极流过的电流尽可能相等。同时，可增加门-阴极单元中阴极所占的面积。这样，既保证了GCT关断时电流的均匀性，又可提高阴极的有效面积，降低热阻，提高电流容量。

本发明的门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法，是将阴极指条设计为梯形状，按同心环均匀排列在整个阴极面上，并且从里到外，梯形的面积逐渐减小，该方法按以下步骤进行：

首先确定GCT的门-阴极横向尺寸

门极横向尺寸的确定方法与现在的GCT和GTO确定的方法是一致的。根据门极特性指标即门极触发电流和触发电压来确定GCT的门-阴极横向尺寸。如图8所示，门-阴极横向尺寸包括中心门极的半径r_g，第一环阴极指条到中心门极的内半径r₁，第二环阴极指条到中心门极的内半径r₂，第三环阴极指条到中心门极的内半径r₃，第四环阴极指条到中心门极的内半径r₄，第五环阴极指条到中心门极的内半径r₅，第六环阴极指条到中心门极的内半径r₆，第六环以上内半径，及阴极管芯外围台面磨角腐蚀的预留尺寸r_t，整个管芯的半径R，阴极单元间距D(＝2d)。

在实际应用中，器件使用的场合不同，对其门极要求不同。比如为了防止器件误触发，则需要增加器件的门极触发电流和触发电压；或者为了减小器件的门极驱动功率，则需要降低器件的门极触发电流和触发电压。所以，器件中心门极尺寸的选择要根据门极特性指标的要求来确定，即根据实际的用途来定。

图3给出了中心门极的结构示意图，中心门极结构可分为三部分：

I从中心门极的金属接触中心到边沿正下方的P基区横向电阻，它对门极特性的影响很小；

II从中心门极的金属接触边沿到N阴极发射区的内边沿正下方的P基区横向电阻，这部分电阻用R_g示，它对门极特性的影响较大；

III  N发射区的正下方的P基区横向电阻，这部分电阻用R_k表示；

门极触发电流I_GT和触发电压V_GT可参考如下方法来计算：

门极触发电流I_GT和与R_k有关，阴极指条的形状不同，R_k就不同。

对矩形状指条阴极单元： $R_k=\frac{{\mathrm{\ρ}}_k\·l}{2W_P\·w}$

对梯形状阴极指条单元：

式中：l为N发射区的指条长度；

w为N发射区正的指条宽度；

ρ_k为N发射区正下方P基区次表面的平均电阻率；

W_P为N发射区正下方P基区的厚度；

r₁为第一环阴极指条的内半径；

w_外为梯形N发射极指条的外宽度；

则门极触发电流I_GT： $I_{\mathrm{GT}}=\frac{V_0}{R_k}$

式中V₀为J₃结的导通电压。

门极区的电阻R_g为： $R_g=\frac{{\mathrm{\ρ}}_g\ln (r_l/r_g)}{W_P\·2\mathrm{\π}}$

式中：r_g为从中心门极金属接触中心到边沿的距离；

ρ_g为门极挖槽腐蚀后P基区表面的平均电阻率。

则门极触发电压V_GT：V_GT＝I_GT·(R_g+R_k)+V₀

确定了r_g，r_l后，r_i(i＝2，3，4，...)即可根据阴极单元的尺寸和间距来确定，阴极单元之间的间距D(＝2d)一般与阴极单元指条的宽度相近，可根据单元数目来调整。

其次确定阴极指条尺寸和阴极单元外围尺寸

阴极单元图形尺寸直接受到最大可关断电流I_TGQM和平均通态电流I_TAV的影响。I_TAV通常为I_TGQM的20％。对GTO而言，为了获得较高的I_TGQM和较好的开关特性及二次击穿特性，要对阴极指条的宽度w和长度l加以限制。图4显示的是GTO最大可关断电流I_TGQM与阴极指条宽度w的关系(指条长度l为3.5mm)，由图中可见，I_TGQM越大，阴极指条的数目就越多，w也越窄。比如，要满足2000A的I_TGQM指标，在确定的指条数目下，w最好取在240微米～360微米(即0.24mm～0.36mm)的范围内。另外，阴极指条长度l与关断过程中载流子的收缩有关，考虑到关断的三维效应，即在通态电流允许的条件下，应尽量减小阴极指条长度l。由通态电流和关断电流的要求，即允许的电流密度J来控制，长度l一般取在2.6mm～4mm的范围内。

通常阴极指条的长度l和宽度w对I_TGQM的影响可通过下列两式来表示：

$I_{\mathrm{TGQM}}=\frac{{4V}_{\mathrm{BRJ}3}}{R_{\mathrm{kp}}}$ 和 $R_{\mathrm{kp}}={\mathrm{\ρ}}_{p2}\frac{w}{W_{P2}\·l}$

式中：V_BRJ3为J₃结的击穿电压，一般在为20～23V的范围内，R_pk为电流垂直于径向方向的P基区横向电阻；ρ_p2为P基区的平均电阻率；W_p2为P基区的厚度。

所以，可依据最大可关断电流与阴极条宽的关系，及最大可关断阳极电流指标要求，确定阴极指条宽度w和长度l，从而确定GCT的阴极单元尺寸。

图5a显示现有的阴极单元图形，阴极单元为矩形，其单元条宽w，单元条长l；

图5b是本发明的阴极单元图形，其单元图形尺寸为：

梯形指条单元内边宽w_内，它的值等于矩形单元的宽度w，即w_内＝w。

梯形指条单元条高度h，它的值等于矩形单元的长l，即h＝l。

梯形指条单元外边宽w_外，与其外周长和单元个数及间距(2d)有关。

则梯形指条单元图形的面积为：

图6a显示现有的阴极单元图形外围尺寸图，

边宽为：w+2d(2d为阴极指条间的门极区域的宽度或间距)；

边长为：l+2d；

图6b是本发明的阴极单元图形外围尺寸图，

内边宽为W_内：W_内≈w_内+2d

外边宽为W_外：W_外≈w_外+2d；高为H：H＝h+2d，

则每个门-阴单元阴极图形的面积为：

再次确定阴极单元的个数

根据最大可关断电流I_TGQM指标来确定单元的个数。如果工艺水平确定，则单位面积上通过的电流确定，即电流密度J便确定。根据电流密度和阴极单元的面积即可求出每个单元通过的平均通态电流I₀和可关断电流I_TGQ(为平均通态电流的5I₀)，最大可关断电流I_TGQM与每个单元的可关断电流I_TGQ的比值即总的阴极单元个数。

最后确定每环排列的单元个数

根据已确定每环阴极指条内边到中心门极的间距r_i及阴极单元的指条的长度l及阴极指条的间距2d，可计算出每一环阴极指条到中心门极的内周长L_内i，再除以门-阴极单元的内边宽W_内i，初步得到每一环的单元个数。因为阴极单元的个数必须为整数，所以取整后即可确定每一环的单元个数N_i，再反推出每一环阴极指条的内边宽w_内i和外边宽w_内i。

取梯形内边宽w_内为矩形单元的条宽w，梯形的高h为矩形单元的条长l；则第一环阴极指条到中心门极的内周长L_内i为：

L_内1＝r₁×2π

用第一环的内周长L_内1除以第一环阴极单元内边宽和间距之和，即可得到第一环内排列的门-阴极单元个数。

N₁＝L_内1/(w_内+2d)

对N₁取整后，再根据L_内1和N₁推出则单元内边宽W_内1和阴极指条的内边宽w_内1分别为：

W_内1≈L_内1/N₁

w_内1≈W_内1-2d

第一环阴极指条到中心门极的外周长L_外1为：

L_外1＝(r₁+l)×2π

W_外1≈L_外1/N

w_外1≈W_外1-2d

于是，第一环单元面积S_单元1和梯形阴极指条的面积S_梯形1分别为：

第二环，第三环，......，等等的单元数目及相关尺寸计算可利用以下通式：

L_内i＝r_i×2π，

N_i＝L_内i/(2d+w_内)，并取整，

W_内i≈L_内i/N_i

w_内i≈W_内i-2d

L_外i＝(r_i+l)×2π

W_外i≈L_外i/N

w_外i≈W_外i-2d

i＝2，3，……

图7给出了按同心环排列的门-阴极图形。比较可见，a中的矩形状阴极指条按同心环排列成的现有GCT(GTO)的门-阴极图形，其每个单元中阴极部分的面积几乎相等，b中的梯形状阴极指条按同心环排列成本发明的GCT门-阴极图形，其每个单元中门极部分的面积几乎相等，并且从里到外，梯形的面积逐渐减小。

下面以2000A的GCT为例，具体说明本发明的设计方法：

首先确定GCT的门-阴极横向尺寸

参见图8，确定GCT的门-阴极横向尺寸为：门-阴极横向尺寸包括中心门极的半径r_g＝2.6mm，第一环阴极指条到中心门极的内半径r₁＝5.2mm，第二环阴极指条到中心门极的内半径r₂＝8.6mm，第三环阴极指条到中心门极的内半径r₃＝12.0mm，第四环阴极指条到中心门极的内半径r₄＝15.4mm，第五环阴极指条到中心门极的内半径r₅＝18.8mm，第六环阴极指条到中心门极的内半径r₆＝22.2mm，及阴极管芯外围台面磨角腐蚀的预留尺寸3.8mm，整个管芯的半径R为29mm，其中阴极单元间距取D＝2d＝0.4mm。

其次确定阴极指条尺寸和阴极单元外围尺寸

根据最大可关断电流与阴极条宽的关系(如图4所示)和2000A的最大可关断阳极电流I_TGQM的指标要求，取阴极指条宽为w＝0.3mm，长度取1＝3mm。所以，本发明的阴极单元图形的内边宽w内可取为阴极指条宽度w，高度h可取为阴极指条长度1，取阴极指条的间距为D＝2d＝0.4mm，其外边宽w_外为0.72mm。由此确定的第1环阴极单元图形尺寸如图9a、b所示：

梯形指条单元的内边宽w_内：0.31mm

梯形指条单元的外边宽w_外：0.72mm

梯形指条单元的高度h：3mm

则梯形指条单元图形的面积为：

$=\frac{1}{2}\×(0.31\mathrm{mm}+0.72\mathrm{mm})\×3\mathrm{mm}$

$=1.545{\mathrm{mm}}^2$

门-阴极单元的内边宽W_内：0.71mm

门-阴极单元的外边宽W_外：1.12mm

门-阴极单元的高度H：3.4mm

则第一环每个门-阴单元图形的面积为：

$=\frac{1}{2}\×(0.71\mathrm{mm}+1.12\mathrm{mm})\×3.4\mathrm{mm}=3.111{\mathrm{mm}}^2$

再次确定阴极单元的个数

根据最大可关断电流I_TGQM指标来确定单元的个数。如果工艺水平确定，则单位面积上通过的电流确定，即电流密度J便确定。假设一个单元通过3A的可关断阳极电流，则2000A的需要667个这样的阴极单元，按同心环排列在整个阴极面上。

最后确定每环排列的单元个数

根据已确定每环阴极指条内边到中心门极的间距r_i及阴极单元的指条的长度l及阴极指条的间距2d，可计算出每一环阴极指条到中心门极的内周长L_内i，再除以门-阴极单元的内边宽W_内i，初步得到每一环的单元个数。因为单元的个数必须为整数，所以取整后即可确定每一环的单元个数N_i，再反推出每一环阴极指条的内边宽w_内i和外边宽w_内i。

具体计算过程如下：

取梯形内边宽w_内为矩形单元的条宽w，梯形的高h为矩形单元的条长l；则第一环阴极指条到中心门极的内周长L_内1为：

w_内＝w＝0.3mm，h＝l＝3mm，2d＝0.4mm

L_内1＝r₁×2π＝5.2mm×2π＝32.672mm

N₁＝L_内1/(2d+w_内)＝5.2mm×2π/(0.4mm+0.3mm)＝46.675

取N₁＝46条，则单元内边宽W_内1和阴极指条的内边宽w_内1分别为：

W_内1≈L_内1/N＝5.2mm×2π/46＝0.710mm

w_内1≈W_内1-2d＝0.710mm-0.4mm＝0.310mm

第一环阴极指条到中心门极的外周长L_外1为：

L_外1＝(r₁+l)×2π＝8.2mm×2π＝51.522mm

W_外1≈L_外1/N＝8.2mm×2π/46＝1.120mm

w_外1≈W_外1-2d＝1.120mm-0.4mm＝0.720mm

于是，第一环单元面积和梯形阴极指条的面积分别为：

则第一环的阴极单元面积放大倍数δ₁为：

S_矩形＝w·l＝0.3mm×3mm＝0.9mm²

依次类推，可求出其他5环的阴极单元的尺寸以及关键参数如表1所示。

表1：阴极单元尺寸及关键参数比较表

环数i	内半径ri(mm)	条数Ni	内边宽w<sub>内i</sub>(mm)	单元内边宽W<sub>内i</sub>(mm)	内周长L<sub>内i</sub>(mm)	间距2d(mm)	外边宽w<sub>外i</sub>(mm)
								1	5.2	46	0.310	0.710	32.672	0.40	0.720
2	8.6	76	0.311	0.711	54.035	0.40	0.559
								3	12.0	106	0.311	0.711	75.398	0.40	0.489
4	15.4	136	0.311	0.711	96.761	0.40	0.450
								5	18.8	166	0.312	0.712	118.124	0.40	0.425
6	22.2	196	0.312	0.712	139.486	0.40	0.408

表1(续)：阴极单元尺寸及关键参数比较表

环数i	单元外边宽W<sub>外i</sub>(mm)	外周长L<sub>外i</sub>(mm)	阴极指条面积S<sub>梯形i</sub>(mm<sup>2</sup>)	单元面积S<sub>单元i</sub>(mm<sup>2</sup>)	单元门极面积S<sub>Gi</sub>(mm<sup>2</sup>)	单元面积放大倍数δ<sub>i</sub>
							1	1.120	51.522	1.545	3.111	1.566	1.72
2	0.959	72.885	1.305	2.839	1.534	1.45
							3	0.889	94.248	1.200	2.720	1.520	1.33
4	0.850	115.611	1.142	2.654	1.512	1.27
							5	0.825	136.973	1.106	2.613	1.507	1.23
6	0.808	158.336	1.080	2.584	1.504	1.20

由上表可知，阴极总单元数N_T为：

$N_T=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i=N_1+N_2+N_3+N_4+N_5+N_6$

$=46+76+106+136+166+196=726$

最后得到的2000A GCT门-阴极图形结构如图10所示，其阴极发射极为梯形状，并按6个同心环均匀地排列在GCT的阴极表面。

将本发明得到的2000A GCT门-阴极图形结构与现有的门-阴极图形结构进行比较：

1.硅片的有效利用率η：

现有的门-阴极图形的硅片有效利用率η₁：

本发明的门-阴极图形的硅片有效利用率η₂：

$=\frac{(46\×1.545+76\×1.305+106\×1.200+136\×1.142+166\×1.106+196\×1.080){\mathrm{mm}}^2}{\mathrm{\π}\×{\left(29\mathrm{mm}\right)}^2}$

$=\frac{(71.07+99.18+127.2+155.312+183.596+211.68){\mathrm{mm}}^2}{\mathrm{\π}\×{\left(29\mathrm{mm}\right)}^2}$

$=32.10\%$

其中R为硅片的半径。

2.阴极有效面积增加的相对放大倍数β：

采用本发明的门-阴极图形结构后，硅片阴极有效面积增加的相对放大倍数β为：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\η}}_1}=\frac{32.10\%}{24.73\%}-1=29.79\%$

3.门极面积的均匀性分析

由于每环的门-阴极单元图形中，梯形单元的内边宽和高相等，而外边宽度不等，导致环绕在每个阴极指条外围的门极部分的面积也有微小的差别。每环各单元中的门极面积(S_Gi)可通过门-阴极单元面积(S_单元i)减去梯形指条的面积(S_梯形i)来确定，计算过程如下：

S_G1＝S_单元1-S_梯形1＝3.111mm²-1.545mm²＝1.566mm²

S_G2＝S_单元2-S_梯形2＝2.839mm²-1.305mm²＝1.534mm²

S_G3＝S_单元3-S_梯形3＝2.720mm²-1.200mm²＝1.520mm²

S_G4＝S_单元4-S_梯形4＝2.654mm²-1.142mm²＝1.512mm²

S_G5＝S_单元5-S_梯形5＝2.613mm²-1.106mm²＝1.507mm²

S_G6＝S_单元6-S_梯形6＝2.584mm²-1.080mm²＝1.504mm²

由以上计算可知，每个门-阴极单元的门极面积非常接近，由此说明，GCT关断时从每个单元的门极处流走的电流几乎是相等的。

可见，将GCT原有的矩形状阴极指条用本发明的梯形状阴极指条代替后，其阴极有效面积明显增加。根据上述设计方法，通过计算可知，对2000A的GCT器件，采用本发明的门-阴极图形结构后，阴极有效面积占硅片阴极面积的比例由原来的24.73％提高到32.10％，有效面积相对放大倍数为29.79％，而且每个阴极周围的门极部分的面积非常接近，从而保证门极电流可均匀地关断阳极电流。

该方法可推广到其他电流容量的GCT器件，设计时，针对用户的特殊要求，根据门极特性指标对门-阴极横向尺寸进行调整；根据最大可关断电流容量，对其单元尺寸及数目进行调整，如需要，可在外围再增加一环。

Claims (1)

1.一种门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法，将阴极指条设计为梯形状，按同心环排列在整个阴极面上，并且从里到外，梯形的面积逐渐减小，该方法包括：

首先确定GCT的门-阴极横向尺寸

根据门极特性指标即根据实际需要的门极触发电流和触发电压来确定GCT的门-阴极横向尺寸，包括中心门极的半径r_g、第一环阴极指条到中心门极的内半径r₁、第二环阴极指条到中心门极的内半径r₂、第三环阴极指条到中心门极的内半径r₃、第四环阴极指条到中心门极的内半径r₄、第五环阴极指条到中心门极的内半径r₅、第六环阴极指条到中心门极的内半径r₆、第六环以上内半径，及阴极管芯外围台面磨角腐蚀的预留尺寸r_t、整个管芯的半径R、阴极指条间距D，阴极指条半间距d，且D＝2d，

其特征在于，该方法还包括以下步骤：

其次确定梯形阴极指条尺寸和阴极单元外围尺寸

根据矩形阴极指条最大可关断电流指标满足下式

和 $R_{\mathrm{kp}}={\mathrm{\ρ}}_{p2}\frac{w}{W_{P2}\·l}$

其中，V_BRJ3为J₃结的击穿电压，R_kp为电流垂直于径向方向的P基区横向电阻，P_p2为P基区的平均电阻率，W_p2为P基区的厚度，长度1取2.6mm～4mm，得到矩形阴极指条宽度w，

确定阴极指条图形为梯形，梯形阴极指条的内边宽w_内＝w，梯形阴极指条高度h＝l，梯形阴极指条图形的面积为：

阴极单元图形外围尺寸：

内边宽W_内≈w_内+2d，外边宽W_外≈w_外+2d，高H＝h+2d，

阴单元图形的面积为：

再次确定阴极单元的个数

最大可关断电流I_TGQM与单个阴极单元的可关断电流的比值即为总的阴极单元个数；

最后确定每环排列的阴极单元个数

根据已确定每环梯形阴极指条内边到中心门极的间距r_i及梯形阴极指条高h及梯形阴极指条的间距2d＝D，可计算出每一环梯形阴极指条到中心门极的内周长L_内j，再除以阴极单元的内边宽W_内j，初步得到每一环的阴极单元个数，因为阴极单元的个数必须为整数，所以取整后即可确定每一环的单元个数N_i，再反推出每一环梯形阴极指条的内边宽w_内i和外边宽w_内i，

第一环梯形阴极指条到中心门极的内周长L_内I为：

L_内I＝r_I×2π

用第一环的内周长L_内I除以第一环梯形阴极指条内边宽和间距之和，即得到第一环内排列的阴极单元个数，

N_I＝L_内I/(w_内+2d)

对N_I取整后，再根据L_内I和N_I推出则阴极单元内边宽W_内1和阴极指条的内边宽w_内I分别为：

W_内I≈L_内I/N_I

w_内I≈W_内I-2d

第一环梯形阴极指条到中心门极的外周长L_内I为：

L_外I＝(r_i+l)×2π

W_外I≈L_外I/N

w_外I≈W_外I-2d

于是，第一环阴极单元面积S_单元I和梯形阴极指条的面积S_梯形I分别为：

第二环，第三环，以及第三环以上的单元数目及相关尺寸计算利用以下通式：

L_内i＝r_i×2π，

N_i＝L_内i/(2d+w_内)，并取整，

W_内i≈L_内i/N_i

w_内i≈W_内i-2d

L_外i＝(r_i+l)×2π

W_外i≈L_外i/N

w_外i≈W_外i-2d

i＝2，3，……

i＝1表示第1环，r_i表示第1环的阴极单元内边到中心门极的尺寸；i＝2表示第2环，r_i表示第2环的阴极单元内边到中心门极的尺寸，依此类推，

得到的各环阴极单元数目，按同心环排列，即完成了GCT的门-阴极结构设计。

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