CN214898451U - 一种逆阻型集成门极换流晶闸管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种逆阻型集成门极换流晶闸管，包括阴极梳条、阴极电极、门极电极、阳极电极，该逆阻型集成门极换流晶闸管中心对称布满阴极梳条，门极接触区位于器件中心、中间或边缘位置，器件最外圈是终端区。轴向从上到下依次包括：阴极电极、阴极N+掺杂区、门极电极、P基区、N‑衬底区、阳极P+掺杂区和阳极电极，本实用新型在一个芯片上串联集成了门极换流晶闸管与二极管，使器件数量减少，功耗降低，总成本下降，同时提高系统可靠性，本实用新型正反向能够耐受高电压，正向通过大电流，门极控制器件开通、关断。

Description

一种逆阻型集成门极换流晶闸管

技术领域

本实用新型涉及一种全控型功率半导体开关器件的结构，尤其是涉及一种逆阻型集成门极换流晶闸管的结构。

背景技术

电流源型变流器具有拓扑结构简单、短路特性好、满足四象限运行、输入/输出波形质量高等特点，已广泛应用于中压大功率传动和可再生能源系统。电流源型变流器换流需使用逆阻型开关器件。目前市场上实用的中压大功率电流源型变流器开关器件大多采用门极换流晶闸管与二极管串联压接使用。但两个器件串联使用，功耗较大，成本较高。

目前电力电子器件主要是硅基材料，其制作过程都是在硅单晶为衬底的基础上进行加工制造的。通过对硅单晶进行掺杂，形成具有不同特性的半导体层，从而实现器件功能。掺杂剂主要分为两类：杂质电离时，能够施放电子而产生导电电子，并形成正电中心，称它们为施主杂质或N型杂质，如磷，砷和锑。另一类杂质电离时，能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，称它们为受主杂质或P型杂质，如硼，铝，镓和铟。大功率半导体器件的掺杂剂常用磷、硼、铝和镓。通常在表示杂质类型符号“N”和“P”后添加“-”或“+”表示掺杂的轻重程度。如“N-”表示非常低的N型掺杂；“N”表示轻 N型掺杂；“N+”表示非常重的N型掺杂。同理，“P-”表示非常低的P型掺杂；“P”表示轻P型掺杂；“P+”表示非常重的P型掺杂。

门极换流晶闸管是一种电力电子器件，典型的工作状态为阻断状态、导通状态及两种状态转换阶段的开通过程和关断过程。其正向能够耐受高电压，正向通过大电流，门极控制门极换流晶闸管开通、关断。电极有阴极，门极和阳极。在电力系统应用中门极换流晶闸管主要作为一种全控型开关器件。而二极管的典型结构为PIN结构，电极有阴极和阳极。二极管典型的工作状态为阻断状态和导通状态。其反向能够耐受高电压，正向通过大电流，只能被动开通和关断。在电力系统中二极管主要用于箝位和续流。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种逆阻型集成门极换流晶闸管，以克服现有电流源型变流器电力电子开关器件串联使用，器件数量多、功耗大、总成本高等缺点，提高系统可靠性。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型的技术解决方案是：一种逆阻型集成门极换流晶闸管，整体呈圆饼状，包括阴极梳条、阴极电极、门极电极、阳极电极，所述阴极梳条为圆角矩形且径向呈环状中心对称布满在器件表面，所述阴极梳条顶部设有阴极电极，所述器件表面最外侧一圈为终端区，所述终端区内阴极梳条间隙在器件表面设有门极电极，门极接触区位于器件中心、中间或边缘位置，在门极电极表面附有保护材料，只有门极接触区与门极进行电连接；所述阴极梳条内部为阴极N+掺杂区，器件纵向从上到下依次包括：阴极电极、阴极N+掺杂区、门极电极、P基区、N-衬底区、阳极P+掺杂区和阳极电极，所述阴极电极在阴极N+掺杂区上表面，门极电极在P 基区上表面，阳极电极在阳极P+掺杂区下表面，所述阴极梳条侧面设有无机保护膜。

所述阴极电极、门极电极、阳极电极材料均为铝或铝、钛等多金属合金，厚度为10～30um。

所述阴极N+掺杂区杂质为磷，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3，深度为10～30um，阴极N+掺杂区从表面看是一圆角矩形，矩形长2～ 3mm，宽100～300um。

所述P基区杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为1× 10¹⁵～1×10¹⁹cm^-3，深度为90～130um。

所述N-衬底区，掺杂浓度为8×10¹²～3×10¹³cm^-3，厚度为400～ 1000um。

所述阳极P+区杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3。深度为80～130um。

所述阴极N+掺杂区高于P基区，且阴极N+掺杂区和门极P基区高度差为10～40um。

所述门极接触区设在逆阻型集成门极换流晶闸管表面中心，表面中间或表面边缘。

所述保护材料为聚酰亚胺。

所述无机保护膜为氧化硅或氮化硅薄膜。

当逆阻型集成门极换流晶闸管处于正向阻断状态，给RB-IGCT门 -阴极之间施加正电压，注入适当的电流时，逆阻型集成门极换流晶闸管在极短的时间内从阻断状态转变为导通状态，正向通流。

当逆阻型集成门极换流晶闸管处于导通状态，给RB-IGCT门-阴极之间施加-20V左右电压，逆阻型集成门极换流晶闸管阴极电流换流至门极，RB-IGCT阳极电流可靠关断，同时恢复阻断能力。

当逆阻型集成门极换流晶闸管处于导通状态，给RB-IGCT阴-阳极之间施加反向电压，逆阻型集成门极换流晶闸管关断，同时恢复阻断能力。

本实用新型优点：

电流源换流器采用电感器作为直流储能元件，具有天然的短路保护能力，同时比电容器具有更高的可靠性。另外，由于交流侧并联电容的存在，电流源换流器输出电压不会突变，电压波形对电机更加友好，电机侧不需要配备专门的dv/dt滤波器。长期以来，工业界应用的电流源变流器的开关器件采用集成门极换流晶闸管芯片和二极管芯片串联，一同封装在一个管壳中使用。这带来的后果是电流源换流器开关器件数量较多，成本高昂，导致可靠性降低，损耗增大。

逆阻型集成门极换流晶闸管创造性地将门极换流晶闸管与二极管集成在一个芯片，且器件各项性能优异，器件成本、工作损耗远小于传统串联方式。相比传统应用方式，使换流器开关器件数量减少，功耗降低，总成本下降，同时提高系统可靠性，逆阻型集成门极换流晶闸管正反向能够耐受高电压，正向通过大电流，门极控制器件开通、关断。在逆阻型集成门极换流晶闸管中AS-GCT和二极管串联集成在一起，AS-GCT耐受正向高电压，二极管耐受反向高电压；导通时， AS-GCT和二极管共同通过大电流；开通和关断过程，AS-GCT和二极管共同处于开通和关断状态。

附图说明

图1为本实用新型剖面示意图；

图2为本实用新型中心门极接触区俯视图；

图3为本实用新型中间门极接触区俯视图；

图4为本实用新型边缘门极接触区俯视图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示结构的剖面图及俯视图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。在此不应限制本实用新型保护的范围

如图1-4所示：一种逆阻型集成门极换流晶闸管，整体呈圆饼状，包括阴极梳条1、阴极电极4、门极电极5、阳极电极9，所述阴极梳条1为圆角矩形且纵向呈环状分布在逆阻型集成门极换流晶闸管表面，所述阴极梳条1顶部设有阴极电极4，所述逆阻型集成门极换流晶闸管表面最外侧一圈为终端区11，所述终端区11内阴极梳条1间隙在逆阻型集成门极换流晶闸管表面设有门极电极5，在逆阻型集成门极换流晶闸管中心位置设有门极接触区3，在门极电极5表面设有保护材料12；所述阴极梳条1内部为阴极N+掺杂区2，所述逆阻型集成门极换流晶闸管内部分为三层，由上至下分别为P基区6、N-衬底区7、阳极P+掺杂区8；所述逆阻型集成门极换流晶闸管底部设有阳极电极9，所述阴极梳条1侧面设有无机保护膜10。

所述阴极电极4、门极电极5、阳极电极9材料均为铝或铝、钛等多金属合金，厚度为10～30um。

针对不同设计耐压，选取不同单晶参数，所述阴极N+掺杂区2杂质为磷，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3，深度为10～30um，阴极 N+掺杂区2从表面看是一圆角矩形，矩形长2～3mm，宽100～300um。

所述P基区6杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为1 ×10¹⁵～1×10¹⁹cm^-3，深度为90～130um。

所述N-衬底区7，掺杂浓度为8×10¹²～3×10¹³cm^-3，厚度为400～ 1000um。

所述阳极P+掺杂区8杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为为1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3。深度为80～130um。

所述阴极N+掺杂区2高于P基区6，且阴极N+掺杂区2和门极P 基区6高度差为10～40um。

所述门极接触区3设在逆阻型集成门极换流晶闸管表面中心，表面中间或表面边缘，门极接触区3与外门极进行电连接。

所述保护材料12为聚酰亚胺。

所述无机保护膜10为氧化硅或氮化硅等绝缘材料。

逆阻型集成门极换流晶闸管是一种在一个芯片上串联集成了门极换流晶闸管与二极管的电力电子器件，正反向能够耐受高电压，正向通过大电流，门极电极5控制器件开通、关断。逆阻型集成门极换流晶闸管耐压上正反向对称，为电场非穿通型设计。典型的工作状态为阻断状态、导通状态及两种状态转换阶段的开通过程和关断过程。

(1)阻断状态。当逆阻型集成门极换流晶闸管阳-阴极两端施加正向电压，器件阳极P+掺杂区8和N-衬底7组成的结正偏，不耐受电压；N-衬底7和P基区6组成的结反偏，承受外加电压。当逆阻型集成门极换流晶闸管阳-阴极两端施加反向电压，器件P基区6和N- 衬底7组成的结正偏，不耐受电压；N-衬底7和阳极P+掺杂区8组成的结反偏，承受外加电压。

(2)开通过程。当门极接触区3-阴极电极4施加正向电压，且门极接触区3有适当的幅值和上升率电流注入时，N+掺杂区2向P基区6均匀注入电子，阳极P+掺杂区8向N-衬底7均匀注入空穴，该逆阻型集成门极换流晶闸管在极短的时间内从晶闸管的阻断状态转变为导通状态。

(3)导通状态。逆阻型集成门极换流晶闸管均匀开通后即进入导通状态，表现为典型的晶闸管特点，具有通态压降低、通流能力强的优点，同时具有阳极电流的擎住及维持特性。

(4)关断过程。通态时给逆阻型集成门极换流晶闸管的门极接触区3-阴极电极4之间施加20V反压，使P基区6和N+掺杂区2结从正偏转为截止状态，阴极梳条1电流全部换流至门极电极5，N-衬底7和P基区6组成的结电压上升，该逆阻型集成门极换流晶闸管进入P基区6、N-衬底7和阳极P+掺杂区8组成的PNP管工作模式。随着N-衬底7的过剩载流子向阳极P+掺杂区8运动复合消失，P基区6 的过剩空穴则经门极电极5排走，该逆阻型集成门极换流晶闸管在极短时间内可靠关断，同时N-衬底7和P基区6组成的结恢复阻断能力。该逆阻型集成门极换流晶闸管由低阻状态转变为高阻状态。

Claims (10)

1.一种逆阻型集成门极换流晶闸管，整体呈圆饼状，其特征在于：包括阴极梳条(1)、阴极电极(4)、门极电极(5)、阳极电极(9)，所述阴极梳条(1)为圆角矩形且纵向呈环状中心对称布满在器件表面，所述阴极梳条(1)顶部设有阴极电极(4)，所述器件表面最外侧一圈为终端区(11)，所述终端区(11)内阴极梳条(1)间隙在器件表面设有门极电极(5)，门极接触区(3)位于器件中心、中间或边缘位置，在门极电极(5)表面设有保护材料(12)，只有门极接触区(3)与门极进行电连接；所述阴极梳条(1)内部为阴极N+掺杂区(2)，器件纵向从上到下依次包括：阴极电极(4)、阴极N+掺杂区(2)、门极电极(5)、P基区(6)、N-衬底区(7)、阳极P+掺杂区(8)和阳极电极(9)，所述阴极电极(4)在阴极N+掺杂区(2)上表面，门极电极(5)在P基区(6)上表面，阳极电极(9)在阳极P+掺杂区(8)下表面，所述阴极梳条(1)侧面设有无机保护膜(10)。

2.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述阴极电极(4)、门极电极(5)、阳极电极(9)材料均为铝或铝、钛多金属合金，厚度为10～30um。

3.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述阴极N+掺杂区(2)杂质为磷，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3，深度为10～30um，所述阴极N+掺杂区(2)从表面看是一圆角矩形，矩形长2～3mm，宽100～300um。

4.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述P基区(6)杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁹cm^-3，深度为90～130um。

5.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述N-衬底区(7)，掺杂浓度为8×10¹²～3×10¹³cm^-3，厚度为400～1000um。

6.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述阳极P+掺杂区(8)杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3，深度为80～130um。

7.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述阴极N+掺杂区高于P基区(6)，且阴极N+掺杂区(2)和门极P基区(6)高度差为10～40um。

8.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述门极接触区(3)设在器件表面中心、表面中间或表面边缘。

9.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述保护材料(12)为聚酰亚胺。

10.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述无机保护膜(10)为氧化硅或氮化硅。

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