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高压晶闸管表面造型技术的改进

高压晶闸管表面造型技术的改进

  • 分类:企业新闻
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  • 发布时间:2022-01-25 16:12
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【概要描述】近年来,高压晶闸管的应用获得了长足的发展,(4000~6500)伏的高压晶闸管已广泛投放市场,在SVC静止型动态无功功率补偿装置、发电机励磁、大型同步机高压软起动电源以及铝电解等大型机电设备上都获得了成功应用。国际上以ABB、EUPEC为代表,国内以西安电力电子技术研究所【1】、株州南车时代电力电子事业部为代表都有多年高压晶闸管研制生产的成功经验。

高压晶闸管表面造型技术的改进

【概要描述】近年来,高压晶闸管的应用获得了长足的发展,(4000~6500)伏的高压晶闸管已广泛投放市场,在SVC静止型动态无功功率补偿装置、发电机励磁、大型同步机高压软起动电源以及铝电解等大型机电设备上都获得了成功应用。国际上以ABB、EUPEC为代表,国内以西安电力电子技术研究所【1】、株州南车时代电力电子事业部为代表都有多年高压晶闸管研制生产的成功经验。

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近年来,高压晶闸管的应用获得了长足的发展,(4000~6500)伏的高压晶闸管已广泛投放市场,在SVC静止型动态无功功率补偿装置、发电机励磁、大型同步机高压软起动电源以及铝电解等大型机电设备上都获得了成功应用。国际上以ABB、EUPEC为代表,国内以西安电力电子技术研究所【1】、株州南车时代电力电子事业部为代表都有多年高压晶闸管研制生产的成功经验。 

一,前言

当晶闸管器件被施加雪崩击穿电压时,空间电荷区主要在承担电压的PN结(如晶闸管的J1结,或J2结)两旁展开,体内电场强度达最大值。这时,如果不加处理,表面处(又叫终端区)电场强度将可能超过体内电场强度,造成击穿电压降低。作为降低表面电场强度使其低于体内最大电场强度的技术有:表面腐蚀成型技术、PN结终端技术、磨角等机械造型技术、喷砂造型技术等等。前两者适宜于中、低电压的中小功率器件,后两者适宜于中、高压大功率器件。 

表面造型技术是制造晶闸管的关键技术之一。将中、低电压晶闸管的表面造型经验(如有的单位采用;正角磨30度,负角磨3~5度)简单移植到高压晶闸管是不妥当的,必须依据高压晶闸管的实际情况,作出新的研究改进。这里常用的表面造型技术有三种:(1)双正角造型,技术难度大些,高温特性差些,适宜超高压(6500V及以上)晶闸管。(2)双负角造型,适宜于全压接结构,对机械加工技术要求高些,独有特点是方便于(1.0.0)晶向单晶的采用。(3)正负角造型,适宜于6500V及以下的高压晶闸管,相对技术难度小些。 

本公司自2003年起,在学习、借鉴国内外先进经验的基础上,开始研制生产高压晶闸管,首先采用的就是正负角造型结构。本文叙述的就是我们在高压晶闸管正负角表面造型技术上的一些研究改进,这些改进工作连同整个设计技术工作一起确保了高压晶闸管研制生产顺利进行。  

二,正斜角造型的研究改进

1),无论是采用腐蚀、磨角、喷砂,对J1结(由P1N1P2N2构成的晶闸管,其P1N1结即J1结)来讲,往往都成正斜角。这里所谓正斜角,即斜面面积由高浓度向低浓度方向减少的造型。 

戴威斯(Davies)和金特立(Gentry)给出了峰值表面电场强度Em和表面造型角度θ对应关系的计算结果【2】、(见图1)。奠定了表面造型技术的理论基础。由文献【2】和图1知道:对正斜角,即使不造型,表面空间电荷区的电场都不大于体内最大电场强度,且由正90度向0度方向减少,表面最大电场强度虽然深入到体内,但仍然是呈单调下降的趋势。为了使因造型而损失的阴极面积减到最小,斜角取接近90度为好,考虑到腐蚀、钝化保护的需要,最小正斜角也要大于60度。而传统的正角磨角器最大只能磨35度,为此必须采用喷砂造型。

2),表面空间电荷区宽度和体内空间电荷区宽度的关系式  

以下给出:在P+N结正斜角造型时,表面空间电荷区宽度和体内空间电荷区宽度Xm的关系式【3】。  

令θ1为正斜角,脚标1是为和以下的负斜角θ2相区别,Xm为体内空间电荷区宽度,Xms 为表面空间电 荷区宽度。可以证明: 

证明如下:如图2:当器件外加反向电压VR时,空间电荷区在PN结两边展开,N基区展宽为Xm,P+区展宽为 Xm(P)由于P+区高浓度,展宽Xm(P)和Xm相比可以忽略。这样,总的体内空间电荷区宽度仍可记为:Xm。  

表面磨一正斜角θ1,不考虑表面再展宽的表面位置为A,再展宽以后为B,利用电中性原理,磨去的△OAD和上翘的△CAB面积应相等。故有: AB=AD。  

由图2知:AD=ODctgθ1 ,OA=OD/sinθ1 , OD= Xm。而表面空间电荷区宽度Xms就是OB,  OB=OA+AB

进一步,由B点向PN结位置线作垂线得上翘高度为XmsG: 

XmsG=(1+cosθ1)Xm           ············(2) 

由公式(1)(2)和表1更加清晰地说明:  

(1),Xms始终大于Xm,即正斜角时,表面电场强度始终低于体内最大电场度,说明正斜角造型适合于雪崩型器件的研制生产;  

(2),小正斜角θ1将导致Xms,进而XmsG 过大,不仅因Xms大而造成表面漏电流过大,且因XmsG 过大而延伸到P2区,则因穿通而导致耐压降低;  

(3),要想使XmsG不超过Xm的30%,则θ1必须大于73度。这更进一步说明采用喷砂造型,并使正斜角θ1取(70~80)度角的道理。 三,负斜角造型的研究改进" width="12" height="23" alt="" /> 对晶闸管的J2结(由P1N1P2N2构成的晶闸管,其P2N1结即J2结)来讲,往往都造型成负斜角,且常常用θ2来表示。这里所谓负斜角,即斜面面积由高浓度(如P2区)向低浓度(如N1区)方向增加的造型。  

由文献【2】和图1还可以知道,只有在15度左右以下的负斜角造型,其表面的电场强度(用Ems表示)才能低于体内最大电场强度(用Em表示,如:Em≥2×105V/cm)。对高压晶闸管,这个负斜角要很小很小,如1度~3度左右,甚至要小于1度。对1度左右的负斜角造型,不仅工艺上很难实现,且造成阴极的有效面积大大减少。  

1973年,科纽(Cornu)【3】对负斜角造型作了深一步的研究,发现最大表面电场强度Ems出现在表面以内25微米处(称谓次表面),且比体内Em还要大些,即使很小很小的负斜角,往往因次表面电场仍高于Em,器件仍不能达到理想的击穿值,和正斜角造型相比,采用负斜角造型总是要损失一部分电压的。  

1976年~1978年,坦普尔(Temple)和艾德勒(Adler) 【4】【5】对负斜角造型作了更深一步的研究,给出了归一化的Ems/Em~θ2的关系曲线(见图3),给出了著名的有效负斜角公式(见公式3),奠定了高压晶闸管,特别是(4000~6500)伏高压晶闸管真正实用化的基础。  

有效负斜角θeff和实际的负斜角θ的关系式为: 

(3)式中:  

θeff:有效负斜角,θ:实际造型的负斜角;  

w:低浓度侧,即晶闸管长基区的空间电荷区的展宽宽度,w =Xm;  

d :高浓度侧,即晶闸管短基区的空间电荷区的展宽宽度,d=Xm(p2)。  

当d=w时,即线形结下得到的击穿电压为最高。当d=0.2w时,θeff=θ, 

说明:公式(3)中的系数0.04就是w/d=5时的修正因子。

图3中,VB是没有负斜角影响的最大雪崩击穿电压,即Em对应的雪崩电压。V是与有效负斜角θeff对应的最大转折电压。  

由图可见:如当θeff=3.5?时,归一化比值为0.9,即该有效负斜角θeff所决定的转折电压V对平行平面结转折电压VB的比值V/VB=0.9。采用θeff=3.5?,表明用10%的电压损失去换取操作容易,导通面积保证,这才是真正行得通的好办法。  

从公式(3)很容易导出其等效公式(4)的形式: 

从表2可以看到,若使真实的负斜角θ2不至于过小,在高浓度侧,即短基区的空间电荷区宽度Xm(p2)必须足够宽,这显然要求一次扩散的前沿浓度要很低很低。采用低浓度、长时间、深结深的铝P型扩散可以实现这一要求。而决定晶闸管动态特性、触发特性的短基区横向电阻率则主要由镓扩散来完成。假定 =3.5?,则依据公式(4)和表2,可以给出晶闸管的纵向结构的参考设计来。  

以下以表3的形式给出公式(4)及表2在高压晶闸管器件设计上的应用 

由参考设计表3,可以得到下面两个结论:  

(1),有了Xm(P2),考虑到一定的有效短基区宽度(通常用Wep2 表示)以及二次扩散结深的要求,则可以确定一次扩散结深Xj1的宽度。表3就给出了Xj1的参考数据。  

(2),由Xm(P2)和θ2可以确定负斜角造型而形成的边宽。如果正斜角θ1造型引起的边宽为b1,令H为硅片厚度,则:  

b1≥H·ctgθ1                          ··············(5) 

同样,负斜角θ2,在短基区空间电荷区宽度Xm(P2)下,造成的边宽设为b2,则有:  

b2≥ Xm(P2)·ctgθ2                    ··············(6) 

有了公式(5),即使硅片厚度H=1.5,当θ1=75度时, b1也要小于0.5。 

有了公式(6),当θ2=2.5度, Xm(P2)=0.092时, b2<2.2。即使θ2=1.5度,Xm(P2)=0.115时,b2<4.4, 整个斜面造型的宽度也不超过5毫米。由此根据电压的要求,确定了b2值,再按b2值喷砂成类台面(即按θ2 的数据,仅在b2宽度上喷砂,参见文献【1】的类台面图),则做出的高压晶闸管不仅电压满足要求,且通态 参数得到了充分保证。由于类台面结构的采用,b2值还可以小些。 四,高压晶闸管的研制和参数  除了和上面表面造型技术的研究改进相协调,还要其它工艺的配合。诸如多次分步并始终和吸收共同进 

行的P型不对称扩散工艺的改进;提高长基区少子寿命技术和轻度电子幅照降低少子寿命技术相结合的控制电流放大系数的技术;高温下的高压测试以及反向恢复电荷测试技术、可靠的欧姆接触技术等等。 

以目前产量最大的K-PUK陶瓷管壳封装的(4000~4500)V的KH型高压晶闸管为例,给出其主要电热参数的测试结果:

五,结语  按上述研究改进工艺,成功地生产了市场急需的各种高压晶闸管,量产化的高压晶闸管器件电热参数 

均达到或接近了国内外的先进水平。  

研究改进工作得到了公司领导夏吉夫的鼎立支持和帮助,冯怀树、李道本等参加了实验研究,特致谢。 

参考文献  【1】,孟庆宗 陆剑秋等:φ100特大功率晶闸管的研制 第六届电力电子学年会论文集(1997.6)71~77; 【2】,R.L.Davies and F.E.Gentry:“Control of Electric Field at the Surface of p-n Junctions”, IEEE Trans. Electron Devices, ED -11, 1964; 【3】,陈泉诚:高温励磁整流管的管芯造型电力电子技术 [1986 (4)] 62~66;【4】,J.Cornu:“Field Distribution Near the Surface of Beveled p-n Junctions in High Voltage Devices”, IEEE  Trans.Electron Devices, ED-20, 1973; 【5】, V·A·K·Temple and M·S·Adler:“The Theory and Application of a Simple Etch Contour for Near-Ideal Breakdown Voltage in Planar p-n Junctions”,IEEE Trans.Electron Devices,ED-23, 1976; 【6】, M·S·Adler and V·A·K·Temple:“Accurate Calculations of the Forward Drop and Power Dissipation in Thyristors”IEEE Trans.Electron Devices, ED-25, 1978; 

潘峰:男,辽宁锦州人。宜昌市晶石电力电子有限公司副总经理,工程师,1972年出生,大学本科,研究方向:电力半导体器件  

联系电话和E-mail: 

潘  峰:13704963488 

韩  娜: hanna1973@163.com 潘福泉:13997712236 panfuquan232@sina.com 载于:  

1)中国电力电子学会第11届学术年会论文集 2008 11 15中国 杭州 P179 

2)电力电子技术 2008 12 P57  

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