CN110233175A - 一种光控晶闸管及其触发控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光控晶闸管及其触发控制系统，其中的光控晶闸管既存在阴极短路点，也存在连接在一起的阴极n+区域，在提高器件dv/dt特性的同时，也不会使器件的α2值减少。因此，当α1与α2之和无限趋近于1，且α2没有减少的情况下，使得器件在适合硅吸收的光波长照射下，接受足够的光照强度，完成导通。本发明的光控晶闸管不仅具备高电压、大电流，而且能够快速导通。此外，本发明的光控晶闸管触发控制系统具有体积小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种光控晶闸管及其触发控制系统。
背景技术
目前，现有技术中的晶闸管在正常工作时的最大电压和最大电流是现有半导体器件中最高的，且能够在工作电路中稳定、可靠运行，因此被广泛应用于大容量功率的工业控制场合。但是晶闸管是由电信号触发的，由此导致主电路和控制电路之间不绝缘，相互干扰。因此，人们提出用光信号取代电信号，这就是光控晶闸管(又称作光控可控硅)。光控晶闸管是用激光二极管或发光二极管作为光源，光控晶闸管的dv/dt与短路点相辅相成，而短路点的存在会使α2的值减少，众所周知的晶闸管的导通条件是α1与α2之和无限趋近于1，如何在不减少dv/dt的能力和α2的值的情况下，通过改进器件结构参数和制作工艺来实现光直接触发大功率的光控晶闸管，还需要进一步的研究。现有技术中的光控晶闸管一半都需要一个单独的控制极结构，且控制极与阴极在同一个表面，因为阴极要收集电流，所以注定要占用大量的面积，所以器件的控制极注定会很小，也就说明器件的受光的区域很小，所以此发明所需的激光光照强度很强。而将结J2设计在光控晶闸管的硅表面时，虽然可以使光照直接照射到结J2上，在光触发装置所需功率很小的情况下也能使使晶闸管更快导通，但是将器件中结J2设计到器件表面会严重影响器件的性能，晶闸管在正向压降下，主要承受压降的是J2结，但是将结J2设计到器件的表面，毫无疑问，会使得器件的耐压性能大大下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种结构简单，使用方便，适于推广应用的光控晶闸管及其触发控制系统。
本发明的一种光控晶闸管，包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括晶闸管和光触发信号的LED装置，其中所述晶闸管的阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域。本发明将阴极结构改进，使得所述阴极既可以作为电流收集区域，又存在未被金属覆盖的半导体区域，采用适合波长的光照射会在硅表面产生光生载流子，作用在所述光控晶闸管的J2结上，则使晶闸管整个器件正向导通。本发明的光控晶闸管结构首先能缩短器件边缘处和内部触发闩锁的时间差，使得内部和边缘处触发闩锁的时间尽量保持一致，保证器件中电流均匀分布。其次这种结构由于存在欧姆接触的电流收集区域，器件的dv/dt耐量不会减少，并且器件导通条件α1与α2之和无限趋近于1，而且其中的α2并不会下降，因此可以从根本上保证器件的导通性能，另一方面，又因阴极结构存在的非欧姆接触型的光生载流子半导体区域，保证器件的dv/dt能力满足需求。本发明的光控晶闸管具有高电压、大电流、快速导通、体积小的优点。
进一步，本发明的光控晶闸管，所述光控晶闸管芯片的阴极结构为对称的叉指状结构，所述叉指状结构可以为方形的框状结构，包括设置在框状结构上的金属电极和光栅窗口，所述金属电极至少为一个，所述光栅窗口同样至少为一个，所述金属电极和所述光栅窗口可以间隔交替排布于框状结构内。所述叉指状结构还可以为圆形结构等轴对称结构，可以为三角形等中心对称结构，可以为非规则的非对称结构。所述框状结构边缘的电极可以作为阴极金属电极的打线处。
进一步，本发明的光控晶闸管，所述欧姆接触的电流收集区域包括阴极短路点，所述阴极短路点间隔设置。
进一步，本发明的光控晶闸管，所述光控晶闸管芯片从上往下依次为阴极n+区、阴极p区、衬底n-区，以及阳极p+区，在所述阴极p区之上和所述阳极p+区之下分别设置阴极金属层和阳极金属层，所述阴极n+区还设置有阴极短路点，在所述光控晶闸管芯片上开设台面槽，所述台面槽的凹槽面依次邻接所述阴极p区和衬底n-区，在所述阳极p+区之上、且邻接所述衬底n-区以及台面槽的区域还设置有对通扩散p+区。所述阴极金属部分构成欧姆接触的电流收集区域，所述阴极裸露的半导体部分为非欧姆接触型的光生载流子区域。本发明的光控晶闸管通过设计既有短路点的阴极n+区与金属连接在一起，也有不带短路点的阴极n+区与金属直接连接在一起，既存在短路点又让其导通能力不受到损耗，从器件结构入手，在横向上器件有短路点，而在纵向上晶闸管没有短路点，这样在不改变器件的基本结构的情况下，晶闸管的导通能力和dv/dt耐量没有减少。
进一步，本发明的光控晶闸管，所述对通扩散p+区对称设置。
一种光控晶闸管触发控制系统，包括前面任一所述的光控晶闸管，还包括用于产生光触发信号的LED装置，所述LED装置采用脉冲信号触发，当所述光控晶闸管需要正向导通的时候，一个脉冲使LED装置发出光，直接使晶闸管导通。其中，控制电路可采用FPGA实现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的一种光控晶闸管，既存在阴极短路点，也存在连接在一起的阴极n+区域，在提高器件dv/dt特性的同时，也不会使器件的α2值减少，因此，当α1与α2之和无限趋近于1，且α2没有减少的情况下，使得器件在适合硅吸收的波长光照条件下，器件接受到足够的光照强度，器件则会导通。本发明的光控晶闸管不仅具备高电压、大电流，而且能够快速导通，此外，本发明的光控晶闸管触发控制系统具有体积小的优点。
附图说明
图1为本发明的光控晶闸管的结构示意图。
图2为光控晶闸管的内部结构示意图。
图3为光控晶闸管阴极反面剖面示意图。
图4为本发明的光控晶闸管触发控制系统的结构示意图。
其中，1.阴极p区，2.阴极金属层，3.阴极短路点，4.阴极n+区，5.台面槽，6.对通扩散p+区，7.衬底n-区，8.阳极p+区，9.阳极金属层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1，如图1至图3所示，本发明的一种光控晶闸管，包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括晶闸管和光触发信号的LED装置，其中所述阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域，短路区域环绕在非短路区域的周围，如此设计能够减少在阴极面耗费设计控制极的面积，阴极既承担了电流收集作用，也承担了控制极对器件的导通作用。本发明将阴极结构改进，使得所述阴极既可以作为电流收集区域，又存在未被金属覆盖的半导体区域，采用适合波长的光照射会在未被金属覆盖的硅表面产生光生载流子，作用在所述光控晶闸管的J2结上，则使晶闸管整个器件正向导通。本发明的光控晶闸管结构首先能缩短器件边缘处和内部触发闩锁的时间差，使得内部和边缘处触发闩锁的时间尽量保持一致，保证器件中电流均匀分布。其次这种结构由于存在欧姆接触的电流收集区域，器件的dv/dt耐量不会减少，并且器件导通条件α1与之和无限趋近于1，而且其中的α2并不会下降，因此可以从根本上保证器件的导通性能，另一方面，又因器件结构中存在短路点，保证了器件的dv/dt能力满足需求。
在本实施例中，作为典型但非限制性的例子，本发明所述的光控晶闸管芯片的阴极结构为对称的方形的框状结构，包括设置在框状结构上的金属电极和光栅窗口，所述金属电极至少为一个，所述光栅窗口同样至少为一个，所述金属电极和所述光栅窗口可以间隔交替排布于框状结构内。所述框状结构边缘的电极可以作为阴极金属电极的打线处。
所述光控晶闸管芯片从上往下依次为阴极n+区4、阴极p区1、衬底n-区7，以及阳极p+区8，在所述阴极p区1之上和所述阳极p+区8之下分别设置阴极金属层2和阳极金属层9，所述阴极n+区4还设置有阴极短路点3，在所述光控晶闸管芯片上开设台面槽5，所述台面槽5的凹槽面依次邻接所述阴极p区1和衬底n-区7，在所述阳极p+区8之上、且邻接所述衬底n-区7以及台面槽5的附近区域还设置有对通扩散p+区6，所述对通扩散p+区设置在所述光控晶闸管芯片边缘，为对称结构。所述对通扩散p+区6沿所述光控晶闸管芯片高度方向的剖面形状为葫芦形，有助于提高器件的耐压性能。所述器件的台面槽5用于提高耐压，形状为椭圆形，直径约为87um，本发明的光控晶闸管通过设计既有带短路点的阴极n+区，也有不带短路点的阴极n+区，从器件结构入手，在横向上器件有短路点，而在纵向上晶闸管没有短路点，这样在不改变器件的基本结构的情况下，既无短路点又让其导通能力不受到损耗，也存在短路点使晶闸管的dv/dt耐量都没有减少。本发明的光控晶闸管具有高电压、大电流、快速导通、且其借助的辅助系统体积小的优点。
实施例2，如图4所示，本发明的一种光控晶闸管触发控制系统，包括实施例1中所述的光控晶闸管，还包括用于产生光触发信号的LED装置，所述LED装置采用脉冲信号触发，当所述光控晶闸管需要正向导通的时候，一个脉冲使LED装置发出光，直接照射所述光控晶闸管阴极所在表面使其导通，其中，控制电路可采用FPGA实现。整体结构紧凑，节约体积。
Claims (6)
1.一种光控晶闸管，其特征在于：包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括晶闸管和光触发信号的LED装置，其中所述晶闸管阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域。
2.根据权利要求1所述的光控晶闸管，其特征在于，所述光控晶闸管芯片的阴极结构为对称的叉指状结构。
3.根据权利要求1所述的光控晶闸管，其特征在于，所述欧姆接触的电流收集区域包括短路点。
4.根据权利要求1所述的光控晶闸管，其特征在于，所述光控晶闸管芯片从上往下依次为阴极n+区、阴极p区、衬底n-区，以及阳极p+区，在所述阴极p区之上和所述阳极p+区之下分别设置阴极金属层和阳极金属层，所述阴极n+区还设置有阴极短路点，在所述光控晶闸管芯片上开设台面槽，所述台面槽的凹槽面依次邻接所述阴极p区和衬底n-区，在所述阳极p+区之上、且邻接所述衬底n-区以及台面槽的区域附近还设置有对通扩散p+区。
5.根据权利要求4所述的光控晶闸管，其特征在于，所述对通扩散p+区为对称设置。
6.一种光控晶闸管触发控制系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的光控晶闸管，还包括用于产生光触发信号的LED装置。
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