CN203150556U - 高压快速晶闸管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的名称为高压快速晶闸管。属于功率半导体器件技术领域。它主要是解决现有快速晶闸耐压不够高的问题。它的主要特征是：包括管壳下封接件、定位环、半导体芯片、垫片、门极组件、上封接件，硅片包括PNPN三端结构，分为阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2，三端分别为阳极A、阴极K和门极G，在阳极区P1表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构；所述的阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条。本实用新型具有能明显提高器件的耐压、保持原设计晶闸管的开通时间不变、并降低通态压降、改善器件的阻断电压水平和通态能力的特点，主要应用于大功率变流电源、串联逆变电源装置。
Description
技术领域
本实用新型属于功率半导体器件技术领域。具体涉及一种高压半导体快速晶闸管器件，主要应用于大功率变流电源、串联逆变电源装置。
背景技术
目前，感应加热电源绝大多数采用并联逆变技术，所用半导体器件为快速晶闸管。输入的三相交流电经过整流后经电抗器输出为直流电流，由4只快速晶闸管组成的逆变桥接收控制单元发出的触发信号，将直流电流进行变换，输出高频率的单相交流电流。而现在一种更高效、稳定和输出能力更大的方案是串联逆变技术，典型电路如图7所示。与并联逆变技术不同的是，逆变桥将整流桥输出的直流电压变换为高频交流电压输出。为达到更大功率输出往往需多只高压快速晶闸管串联实现，如图8所示组件，由3只4000V快速晶闸管串联形成单一桥臂，输出电压峰值可达7000V以上。
常规快速晶闸管是一种PNPN四层三端结构器件，通常制造方法是在N型硅处两端直接进行P型扩散，形成对称的PNP结构，然后在阴极端P区进行N型选择性扩散，最终形成PNPN结构，P1阳极区与P2阴极端区的掺杂结深和杂质浓度分布相同，此种结构快速晶闸管器件常规阻断电压在1200V∽2500V，此时通态压降已达到3.2V左右。按此工艺再提高耐压将直接导致通态压降的上升，且动态特性同时恶化，已不具备实用性。
在一些要求满足快开通和高电压阻断的电气系统中，上述结构的晶闸管因耐压太低，而必须多只串联，电压要求越高，串联要求越多，对均压要求及同步开通配对要求更难。
发明内容
本实用新型的目的就是针对上述不足，提出一种可应用于较高耐压快速大功率半导体开关器件，即高压快速晶闸管。能明显提高器件的耐压，保持原设计晶闸管的开通时间不变，并降低通态压降，从而改善器件的阻断电压水平和通态能力，提高工作可靠性，同时亦可改善特性。
本实用新型的技术解决方案是：一种高压快速晶闸管，由管壳下封接件、定位环、半导体芯片、垫片、门极组件、上封接件封装而成，半导体芯片由硅片、钼片烧结而成，硅片包括PNPN三端结构，分为阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2，半导体芯片三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G，其特征在于：在所述的阳极区P1表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构；所述的阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条。
本实用新型技术解决方案中所述的阳极区P1与短基区P2的结深相同。
本实用新型技术解决方案中所述的阳极区P1结深小于短基区P2结深。
本实用新型技术解决方案中所述的旋转环绕门极G为圆弧形渐开线区域，渐开线指条为对应的圆弧形渐开线指条。
本实用新型技术解决方案中所述的旋转环绕门极G为分段渐开线区域，渐开线指条为对应的分段渐开线指条。
本实用新型技术解决方案中所述的旋转环绕门极G的渐开线指条为4∽6条。
本实用新型技术解决方案中所述的半导体芯片台面正斜角磨负度大小为：20o≤θ1≤60o，负斜角磨角角度θ2大小为：1.5o≤θ2≤5o。
本实用新型技术解决方案中所述的硅片厚度为500-950μm，其中阳极区P+表面杂质浓度2∽9×1020/cm3，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×1017/cm3，阴极区N2表面杂质浓度为3∽9×1020/cm3，阳极区P+结深为10∽30μm，阳极区P1、短基区P2结深为80∽140μm，阴极区N2的结深为15∽30μm。
本实用新型技术解决方案中所述的硅片厚度为500-950μm，其中阳极区P+表面杂质浓度2∽9×1020/cm3，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×1017/cm3，阴极区N2表面杂质浓度为3∽9×1020/cm3，阳极区P+结深为15∽30μm，阳极区P1结深为50∽90μm，短基区P2结深为80∽140μm，阴极区N2的结深为15∽30μm，阳极区P1比短基区P2浅30∽50μm。
本实用新型由于在现有常规快速晶闸管PNPN四层三端结构的基础上，在阳极区P1表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构，阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条，因而可提高开通速度，降低了欧姆接触压降和体压降，提高耐压，并具有快开通效果，使本实用新型的耐压提高到3.0KV以上，通态压降降低到3.2V以下。本实用新型对阳极区P1减薄后，更提高了阳极区P+离子注入效果，同时再次降低了体压降，保持动态特性不变，又提高阻断耐压500V。本实用新型具有能明显提高器件的耐压、保持原设计晶闸管的开通时间不变、并降低通态压降、改善器件的阻断电压水平和通态能力的特点。本实用新型主要应用于大功率变流电源、串联逆变电源装置。
附图说明
图1是本实用新型的产品结构示意图。
图2是本实用新型实施例1的单晶硅片的对称结构示意图。
图3是本实用新型实施例2的单晶硅片的非对称结构示意图。
图4是本实用新型的晶闸管硅芯片制造工艺流程图。
图5是本实用新型实施例1芯片的阴极示意图。
图6是本实用新型实施例2芯片的阴极示意图。
图7是本实用新型应用原理图。
图8是本实用新型组件结构示意图。
具体实施方式
实施例1如图1、图2、图5所示。本实用新型高压快速晶闸管是一种大功率快速半导体开关器件，由管壳下封接件1、定位环2、半导体芯片3、垫片4、门极组件5、上封接件6封装而成。半导体芯片3由硅片、钼片烧结而成。
硅片为P+PNPN三端对称结构，结构分为阳极区P+、阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2。硅片采用晶向<111>或<100>、N型NTD单晶硅片，硅片厚度为500-950μm，电阻率180∽320Ω·cm。阴极区N2为均匀分布有圆弧形渐开线旋转环绕门极G的区域，渐开线指条为对应的圆弧形渐开线指条，渐开线指条为6条。阳极区P1-1与短基区P2长度相同。阳极区P+表面杂质浓度2∽9×1020/cm3，阳极区P1-1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×1017/cm3，阴极区N2表面杂质浓度为3∽9×1020/cm3，阳极区P+结深为10∽30μm，阳极区P1-1、短基区P2结深为80∽140μm，阴极区N2的结深为15∽30μm。半导体芯片3台面正斜角磨负度大小为：20o≤θ1≤60o，负斜角磨角角度θ2大小为：1.5o≤θ2≤5o。
实施例2如图1、图3、图6所示。与实施例1的不同在于阳极区P1结深小于短基区P2结深，阳极区P1-2结深为50∽90μm。阳极区P+结深为15∽30μm，阳极区P1-2比短基区P2浅30∽50μm。阴极区N2为分布有分段渐开线旋转环绕门极G的区域，渐开线指条为对应的分段渐开线指条。阳极区P1-2减薄后，更提高了阳极区P+离子注入效果，同时再次降低了体压降，保持动态特性不变，又提高阻断耐压500V。
本实用新型制造工艺流程如图4所示。
制造本实用新型高压快速晶闸管工艺方法包括以下步骤：
①选用厚度为500-950μm、电阻率为180∽320Ω·cm、晶向<111>或<100>、N型NTD单晶硅片，硅片双面采用磷吸收工艺处理；
②硅片双面通过Al、Ga双杂质分布扩散形成阳极区P1、短基区P2，阳极区P1与短基区P2的结深为80∽140μm，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×1017/cm3；
或者硅片双面通过Al、Ga双杂质分布扩散形成阳极区P1、短基区P2，将阳极区P1进行减薄处理，短基区P2的结深为80∽140μm，阳极区P1的结深为50∽90μm；
③对未减薄处理的阳极区P1进行硼扩散后形成阳极区P+，阳极区P+结深为10∽30μm，阳极区P+表面杂质浓度2∽9×1020/cm3；
或者对减薄处理的阳极区P1进行硼扩散后形成阳极区P+，阳极区P+结深为15∽30μm，阳极区P+表面杂质浓度2∽9×1020/cm3；
④对短基区P2上4∽6条旋转环绕门极G的渐开线指条区域进行磷扩散形成阴极区N2，阴极区N2表面浓度为3∽9.5x1020，阴极区N2结深为15∽30μm；
⑤对硅片和钼片进行高温焊接，对短基区P2、阴极区N2表面进行金属蒸镀后再选择性刻蚀，形成门极G、阴极K，钼片作为芯片的阳极A；
⑥对芯片采用电子辐照的方法控制少子寿命为10∽30μs，调节关断时间为40∽120μs；
⑦对半导体芯片台面进行机械磨角造型，正斜角磨负度大小为：20o≤θ1≤60o，负斜角磨角角度θ2大小为：1.5o≤θ2≤5o；
⑧最后将半导体芯片与管壳下封接件1、定位环2、垫片4、门极组件5、上封接件6封装。
按照上述技术方案制作了Φ100mm圆弧形渐开线快速晶闸管方案(TS11D01)与分段渐开线快速晶闸管方案(TS12D03)产品，其测试参数对比如下：
数据表明，按照2个方案制作的快速晶闸管其动态开通参数、通态压降比较接近，但使用分段渐开线快速晶闸管方案生产的产品，其阻断电压可提高500V。
以上试验结果表明，两种方案制作的快速晶闸管器件，动态参数、通流能力等无明显区别，其它特性参数大体相当。分段渐开线与圆弧形渐开线门极可以达到同样的快开通效果。
在本实用新型的门极G和阴极K之间施加较小的触发电流时（通常50∽400mA），晶闸管开通。半导体芯片直径为Φ76.2∽Φ100，阻断电压达3000∽4500V、平均通态电流IT(AV)达1800A∽4000A。电流上升率di/dt可达1000A/μs。关断时间为40∽120μs。适用频率200∽5kHz。
Claims (9)
1.高压快速晶闸管，由管壳下封接件(1)、定位环(2)、半导体芯片(3)、垫片(4)、门极组件(5)、上封接件(6)封装而成，半导体芯片由硅片、钼片烧结而成，硅片包括PNPN三端结构，分为阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2，半导体芯片三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G，其特征在于：在所述的阳极区P1表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构；所述的阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条。
2.根据权利要求1所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的阳极区P1与短基区P2的结深相同。
3.根据权利要求1所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的阳极区P1结深小于短基区P2结深。
4.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的旋转环绕门极G为圆弧形渐开线区域，渐开线指条为对应的圆弧形渐开线指条。
5.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的旋转环绕门极G为分段渐开线区域，渐开线指条为对应的分段渐开线指条。
6.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的旋转环绕门极G的渐开线指条为4∽6条。
7.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的半导体芯片台面正斜角磨负度大小为：20o≤θ1≤60o，负斜角磨角角度θ2大小为：1.5o≤θ2≤5o。
8.根据权利要求1或2所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的硅片厚度为500-950μm，其中阳极区P+表面杂质浓度2∽9×1020/cm3，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×1017/cm3，阴极区N2表面杂质浓度为3∽9×1020/cm3，阳极区P+结深为10∽30μm，阳极区P1、短基区P2结深为80∽140μm，阴极区N2的结深为15∽30μm。
9.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于：所述的硅片厚度为500-950μm，其中阳极区P+表面杂质浓度2∽9×1020/cm3，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×1017/cm3，阴极区N2表面杂质浓度为3∽9×1020/cm3，阳极区P+结深为15∽30μm，阳极区P1结深为50∽90μm，短基区P2结深为80∽140μm，阴极区N2的结深为15∽30μm，阳极区P1比短基区P2浅30∽50μm。
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| CN111106069A (zh) * | 2018-10-26 | 2020-05-05 | 株洲中车时代电气股份有限公司 | 一种晶闸管管壳 |
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2012
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