CN108305896B - 大尺寸高功率脉冲晶闸管 - Google Patents
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Abstract
本发明的名称为大尺寸高功率脉冲晶闸管。属于功率半导体器件技术和脉冲功率技术领域。它主要是解决普通晶闸管开通di/dt低于1200A/µS和瞬态浪涌电流Itsm低于90kA的问题。它的主要特征是：芯片直径为4英寸～8英寸，为硅基PNPN四层三端结构；芯片两个端面镀金属薄层以连接外电极，放大门极分布区与阴极交叉排布；芯片、绝缘胶圈、阴极钼片、阳极钼片、门极组件、管壳上封接件和管壳下封接件采用悬浮式组装和压接封装；放大门极中心区外缘与阴极的阴极区的交界线位于20%芯片直径以外，放大门极分布区呈雪花型排列。本发明单只器件的脉冲峰值电流Ipm可达200kA~500kA，阻断电压达到4500V~7500V，di/dt达到2kA/µS~5kA/µS。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术和脉冲功率技术领域。具体涉及一种功率半导体器件，该器件为固态开关，作为高性能脉冲功率设备和系统的核心部件，广泛应用于电力、能源和环保等领域。
背景技术
1）脉冲功率开关及应用。
脉冲功率技术是以电气技术为基础，研究和解决瞬态巨量能源的产生、储存、变换、传送、保护、输入和输出等控制技术，将最先进的电力技术、高压技术、核物理科学和微波技术等融合在一起形成的高新前沿技术，在新型智能电网、核能开发、环保、国防科技等领域应用前景广阔。
脉冲功率开关是脉冲功率技术最关键技术之一，需要可靠控制数百千安倍甚至更大电流的开通和关断。
高功率脉冲开关在脉冲功率电源的典型应用如图8。电源向高密度储能电容C充电至满电压Vcc，半导体脉冲开关T初始时处于阻断状态，当收到触发控制信号时，脉冲晶闸管瞬间开通，电容C中的电荷迅速向负载Load放电（L为限流电感，D为续流二极管）。整个过程的响应时间要求到纳秒级，脉冲电流宽度通常在数百微秒，脉冲峰值电流达到数百千安培。脉冲功率电源广泛应用于强磁场强激光等核能装置、脱硫脱硝除尘及废水处理等环保设备、金属表面处理设备、深海勘探设备等。
正在全球兴起开发和建设热潮的新型智能电网，是解决当代及未来电力供需的前沿技术。其以高压直流电网为基础，可容各种微电网、发电、储能、工业或民用设备、照明等电力设备和系统（子系统）通过变流器自由接入，形成电力互联网络。为确保电力互联网系统安全可靠运行，高压直流断路器像防火墙一样连接在骨干网侧和每一项联网的电力设备/系统之间，是现代智能电网的关键技术之一。图9是脉冲开关在电力互联网高压直流断路器的应用原理图，断路器串接在电网和设备间，由三部分并联组成：机械开关、半导体开关和能量吸收部分，回路正常运行时设备由机械开关接通，半导体脉冲开关T处于常闭（关断）状态。当回路检测到故障时同步给出指令信号，该信号一方面控制关断机械开关，同时控制半导体脉冲开关T导通（呈低阻状态），避免机械开关承受高压和瞬时拉弧而损坏。能量吸收部分随后吸收和释放半导体开关上的电流，直至其完全关断，保护整个电力互联网不受局部故障冲击损害。该混合式高压直流断路器技术具有响应快、能耗低、高可靠的优良性能，同样应用于舰船、飞机、航天器等复杂的独立电力系统。
2）高功率脉冲功率晶闸管难点和关键技术。
早期在脉冲功率电源中主要使用气隙开关或汞伏闸流管，在电力系统中主要使用机械开关。这些开关的共同优点是成本较低，耐高压，但它们的缺陷也突出，一是开通或关断都难以避免直流拉弧，二是响应不够快，三是易衰退导致指标和可靠性下降。
随着功率半导体新技术的发展，基于半导体器件制作的脉冲功率开关（固态开关）在近几年取得突破，并快速在新型高性能脉冲功率电源和电力系统等多领域得到应用，也推动了一些高端技术和装备的发展，已成为最具前途的替代品。随着应用需求和新能源技术的高速发展，脉冲功率设备和系统的发展方向向高压、高功率（超大电流）、高效率（功率密度）方向发展，从而需要更高性能的固态开关。
普通晶闸管由于面向工业应用，作为工频级变流器的核心器件，其开通di/dt能达到100~1200A/µS，瞬态浪涌电流Itsm最高达到约90kA。采用悬浮式压接技术制造的普通晶闸管，最新的规格达到6英寸8500V。可以看到，电压水平高，但关键的脉冲功率应用指标如脉冲峰值电流Ipm、di/dt都还有很大差距，难以满足。固此，需要专业的高性能高功率脉冲功率晶闸管。
应用层面，高功率脉冲功率晶闸管需要协调解决以下关键技术问题：
、超高脉冲峰值电流Ipm，达到100kA~500kA；
、快开通和高di/dt，达到1.5~5kA/µS；
、高压。脉冲功率系统必然是高压系统，需要开关具有更高的耐压水平，以减少串联级数，减小体积和重量；
、趋肤效应：即电流向导体的外表面集中，趋肤效应对工频电流可不考虑，几十千安级的脉冲电流影响也较小，但数百千安的脉冲电流趋肤效应明显，其产生的电磁力已大到能损坏自身和近邻部件，需加以利用和控制；
、热损耗：半导体器件工作时必然产生电压降，大电流产生的静态和动态热损耗使器件发生较大的温升，其通流、关断恢复、阻断电压等关键指标会随着温度升高而下降，极端时甚至失效。尽可能降低器件导通压降是有效途径；
、可靠性：规格高那么尺寸大，各种材料和工艺缺陷的累积会更多，以及由于前述电磁力、热应力等，这些对高功率脉冲功率晶闸管的可靠性都构成负面影响。而相反，越是高压、高功率系统对可靠性要求也越高，需要有效解决这些矛盾。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足之处而提供一种大尺寸高功率脉冲晶闸管。
本发明的技术解决方案是：一种大尺寸高功率脉冲晶闸管，其特征在于：包括芯片、绝缘胶圈、阴极钼片、阳极钼片、门极组件、管壳上封接件和管壳下封接件；所述芯片为硅基PNPN四层三端结构，包括阳极发射区P型层、长基区N型层、短基区P型层和阴极区N型层；所述芯片两个端面镀金属薄层以连接外电极，其中阴极面的门极、放大门极和阴极同轴，门极位于轴心中心区，门极与放大门极相邻，放大门极包括放大门极中心区和放大门极分布区，放大门极分布区与阴极交叉排布；其特征是：所述芯片、绝缘胶圈、阴极钼片、阳极钼片、门极组件、管壳上封接件和管壳下封接件采用悬浮式组装和压接封装；所述芯片直径为4英寸～8英寸；所述放大门极中心区外缘与阴极的阴极区的交界线位于20%芯片直径以外，放大门极分布区呈雪花型排列。
本发明的技术解决方案中所述的长基区N型层为穿通型结构，芯片的长基区总厚度小于或等于空间电荷层扩展长度。
本发明的技术解决方案中所述的芯片阳极发射区P型层采用短路结构，重掺杂阳极发射区P型层通过在长基区N型层开窗口形成，阳极发射区P型层的面积大于长基区N型层，阳极发射区P型层和长基区N型层的表面是通过金属薄层短路连接的。
本发明经过计算和验证，选择硅芯片直径4英寸（100mm）～8英寸（205mm），脉冲峰值电流Ipm可达130kA~500kA，满足超高脉冲电流能力的要求。由于芯片面积大，本发明采用先进的悬浮式组装和压接封装技术，芯片和其它部件如钼片、封接件压块的表面粗糙度和平面度、平行度、硬度等通过合适的技术手段控制到极高的指标，在洁净的环境下一层层悬浮叠放、定位，可实现密实平稳的黏合，然后通过冷压，将芯片和其它部件密封在金属化陶瓷管壳内。由于没有高温烧结、挤压等过程，悬浮式组装和压接封装能最大限度降低热应力和机械应力。经过测试，雪花型GK分布的di/dt耐量最好，这与通常的认知出入很大。通常为尽可能增加阴极面积以使晶闸管通流能力更高，放大门极设计得都较小，其中心区GK交界线都在20%芯片直径以内，本发明的放大门极中心区GK交界线移至较远处，到20%芯片直径以外甚至更远，这样一方面使得GK交界线更长，可以获得更多的初始开通点，从而缩短平均开通时间；另一方面因趋肤效应让更多的载流子在芯片外缘区流动，而内缘区在高脉冲电流工作模式下参与导电的贡献变小，可以适当压缩这部分区域面积。
本发明大尺寸高功率脉冲晶闸管通过优化晶闸管结构设计和集合采用一些新技术，经过计算和验证单只器件的脉冲峰值电流Ipm可达130kA~500kA，阻断电压达到4500V~7500V，di/dt达到2kA/µS~5kA/µS，能够较好满足高性能脉冲功率设备和系统应用。
附图说明
图1是高功率脉冲晶闸管结构图。
图2是芯片阴极端面GK分布图。
图3是芯片截面结构示意图。
图4是渐开线型GK分布图。
图5是蛛网型GK分布图。
图6是载流子中心扩展示意图。
图7是芯片阳极短路结构示意图。
图8是高功率脉冲电源原理图。
图9是混合式高压直流断路器原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种大尺寸高功率脉冲晶闸管包括芯片1、绝缘胶圈2、阴极钼片3、阳极钼片4、门极组件5、管壳上封接件6和管壳下封接件7。
芯片1、绝缘胶圈2、阴极钼片3、阳极钼片4、门极组件5、管壳上封接件6和管壳下封接件7采用悬浮式组装和压接封装。其中，芯片1为硅基PNPN四层三端结构，包括阳极发射区P型层8、长基区N型层9、短基区P型层10和阴极区N型层11，如图2所示。芯片（1）直径为4英寸（100mm）～8英寸（205mm）。芯片1两个端面镀金属薄层13以连接外电极，其中阴极面的门极14、放大门极和阴极17同轴，门极14位于轴心中心区，门极14与放大门极相邻，放大门极包括放大门极中心区15和放大门极分布区16，放大门极分布区16与阴极17交叉排布。放大门极中心区15外缘与阴极17的阴极区的交界线18位于20%芯片1直径以外，放大门极分布区16呈雪花型排列，如图3所示。
由于要求超高的脉冲电流能力，所以增加芯片的面积是必然选择。经过计算和验证，选择硅芯片直径4英寸（100mm）～8英寸（205mm），脉冲峰值电流Ipm可达130kA~500kA。
正是由于芯片面积大，本发明采用先进的悬浮式组装和压接封装技术，芯片和其它部件如钼片、封接件压块的表面粗糙度和平面度、平行度、硬度等通过合适的技术手段控制到极高的指标，在洁净的环境下一层层悬浮叠放、定位，可实现密实平稳的黏合，然后通过冷压，将芯片和其它部件密封在金属化陶瓷管壳内。由于没有高温烧结、挤压等过程，悬浮式组装和压接封装能最大限度降低热应力和机械应力。
根据晶闸管导通原理，通常圆盘型晶闸管的导通电流从阴极流出，开通过程首先从靠近圆心的GK交界区某些点开始，其次是其它GK交界区某些点，这些称为初始开通点，如图6所示。之后载流子由这些点迅速向外聚积扩展，直到实现全阴极面积导通，我们称这一机理为中心扩展。峰值电流除以平均开通时间就是器件的di/dt耐量，如果电流不能均衡快速扩展就会发生芯片局部过热或疲劳。发明人通过大量研究和试验，发现了在超高脉冲电流下晶闸管因电流集肤效应而疲劳甚至失效的现象，而在其它较低电流或工频情形下，没有或不显现趋肤效应。这表明高功率脉冲晶闸管不同于其它晶闸管，其开通扩展由两部分力量推动，即中心扩展和趋肤效应。
为提高di/dt耐量，设计合适的GK分布图形是优先选项。通常认为，渐开线包括类渐开线的GK分布图形，如图4所示，其平均开通时间最短所以di/dt耐量最高，虽然复杂但仍被诸多快开关晶闸管所采用。发明人基于中心扩展和趋肤效应两部分力量影响开通的创新发现，研究和设计了多种晶闸管的GK分布图形，其中最典型的有三种，包括渐开线型（含类渐开线）、雪花型（图2）和蛛网型（图5）。经过测试，雪花型GK分布的di/dt耐量最好，这与通常的认知出入很大。研究认为，中心扩展模式下载流子是杂散自由扩展的，而渐开线是向外扩展的最佳途径所以平均开通时间也最短；而加上趋肤效应，其对载流子产生高强度的径向单向推力，从而也缩短了开通时间。雪花型GK分布提供了从中心向外缘的直通通道，而具有更好的di/dt耐量，而其它图形虽然开通也较快，但径向的直线通道受阻影响了平均开通时间。
通常为尽可能增加阴极面积以使晶闸管通流能力更高，放大门极设计得都较小，其中心区GK交界线都在20%芯片直径以内。发明人为更好地利用趋肤效应，将本发明一种大尺寸高功率脉冲晶闸管的放大门极中心区GK交界线移至较远处，到20%芯片直径以外甚至更远。这样一方面使得GK交界线更长，可以获得更多的初始开通点，从而缩短平均开通时间；另一方面因趋肤效应让更多的载流子在芯片外缘区流动，而内缘区在高脉冲电流工作模式下参与导电的贡献变小，可以适当压缩这部分区域面积。
本发明的长基区N型层9为穿通型结构，芯片1的长基区总厚度小于或等于空间电荷层扩展长度。
穿通型结构在晶闸管设计中极少使用，主要缘于提高晶闸管电压水平的考量，包括正向阻断电压和反向电压。本发明设计了长基区穿通型结构，可以将长基区设计得较薄，至其厚度小于或等于空间电荷层扩展宽度。薄长基区一方面可减薄芯片总厚度从而降低器件导通压降和热阻，能有效提高通流能力，另一方面增强了少数载流子的大注入及电导调制效应，进一步降低通态压降。这样，穿通型结构虽然略牺牲电压指标，但高功率脉冲晶闸管的优先指标是提高脉冲峰值电流Ipm和di/dt，牺牲的那点电压可以在应用中通过略增加串联级数解决。
本发明的芯片1阳极发射区P型层8采用短路结构，重掺杂阳极发射区P型层8通过在长基区N型层9开窗口形成，阳极发射区P型层8的面积大于长基区N型层9，阳极发射区P型层8和长基区N型层9的表面是通过金属薄层短路连接的，如图7所示。
通过重掺杂适当提高P型发射区的表面浓度，从而增加少数载流子注入比，能明显降低器件导通压降，利于提高通流能力。但这样也让晶闸管的正向断态敏感性上升，又不利于正向断态的稳定性。采用阳极短路结构，正向断态时漏电流很小，阳极的PN结表面是短路的，漏电流及其产生的压降不足以使PN结发生开通注入，有效抑制了敏感性。而脉冲晶闸管开通时电流很大，足以让PN结正常开通。
与普通兼具有正向阻断电压和反向电压的晶闸管不同，阳极短路结构使得本发明一种大尺寸高功率脉冲晶闸管的反向几乎没有电压。但脉冲功率电源都是直流系统，如图8所示，所以客观上并不要求脉冲晶闸管一定具有反向电压能力，工程应用上半导体固态开关反向恢复和回路阻尼震荡产生的干扰，通过反并联续流二极管等措施解决。而这一措施，也给发明人设计阳极短路结构提供了空间。
阳极短路结构在芯片阳极端面呈蜂窝状排列，均衡分布，蜂窝内为N型，外部大片区域为P型。蜂窝及分布可以是圆形、方格形或正六边形等。
本发明经过计算和验证单只器件的脉冲峰值电流Ipm可达130kA~500kA，阻断电压达到4500V~7500V，di/dt达到2kA/µS~5kA/µS，能够较好满足高性能脉冲功率设备和系统应用。
Claims (3)
1.一种大尺寸高功率脉冲晶闸管，其特征在于：包括芯片（1）、绝缘胶圈（2）、阴极钼片（3）、阳极钼片（4）、门极组件（5）、管壳上封接件（6）和管壳下封接件（7）；所述芯片（1）为硅基PNPN四层三端结构，包括阳极发射区P型层（8）、长基区N型层（9）、短基区P型层（10）和阴极区N型层（11）；所述芯片（1）两个端面镀金属薄层（13）以连接外电极，其中阴极面的门极（14）、放大门极和阴极（17）同轴，门极（14）位于轴心中心区，门极（14）与放大门极相邻，放大门极包括放大门极中心区（15）和放大门极分布区（16），放大门极分布区（16）与阴极（17）交叉排布；其特征是：所述芯片（1）、绝缘胶圈（2）、阴极钼片（3）、阳极钼片（4）、门极组件（5）、管壳上封接件（6）和管壳下封接件（7）采用悬浮式组装和压接封装；所述芯片（1）直径为4英寸～8英寸；所述放大门极中心区（15）外缘与阴极（17）的阴极区的交界线（18）位于20%芯片（1）直径以外，放大门极分布区（16）呈雪花型排列。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸高功率脉冲晶闸管，其特征是：所述的长基区N型层（9）为穿通型结构，芯片（1）的长基区总厚度小于或等于空间电荷层扩展长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸高功率脉冲晶闸管，其特征是：所述的芯片（1）阳极发射区P型层（8）采用短路结构，重掺杂阳极发射区P型层（8）通过在长基区N型层（9）开窗口形成，阳极发射区P型层（8）的面积大于长基区N型层（9），阳极发射区P型层（8）和长基区N型层（9）的表面是通过金属薄层短路连接的。
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