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1、双极型静电感应晶体管动态性能的物理研究ronggang导语：双极型静电感应晶体管动态性能的研究表达在对动态参数的分析上，本文对开关特性，容量，容量及开关损耗等动态参数进展了具体分析，从物理的角度阐述了这几个动态参数的意义，对实际应用有指导作用摘要:双极型静电感应晶体管动态性能的研究表达在对动态参数的分析上，本文对开关特性，容量，容量及开关损耗等动态参数进展了具体分析，从物理的角度阐述了这几个动态参数的意义，对实际应用有指导作用。关键词:物理研究;动态性能;动态参数;双极型静电感应晶体管电力半导体器件是电力电子技术的根底，是电力半导体装置的心脏。电力半导体器件的特性直接影响电力电子系统的体积、重
2、量、价格和性能。八十年代以来，随着微电子技术的迅速开展，微电子与电力电子在各自开展的根底上相结合产生了一代高频化、全控型的功率集成器件。在诸多的新型半导体器件当中，静电感应SI器件是新生开展起来的独具特色的电力半导体器件，并且己开展成为一个相当大的SI家族.该家族的主要品种有功率SIT、超高频SIT、微波SIT、双极形式静电感应晶体管BSIT、静电感应晶闸管SITH以及静电感应集成电路SIT-IC。其中双极形式静电感应晶体管BSIT是将SIT和双极性器件BJT的作用综合在一起，取各自优点而形成的一种新型器件。它具有工作频率高，频带宽，输出功率大、增益高，输入阻抗高，轻易驱动，输出阻抗低，热稳定
3、性好等优点。由于静电感应器件电流容量大，开关速度快，合适于作为大功率开关器件，所以在研究静电感应器件时的性能时不仅包含漏电流、放大倍数、击穿电压等静态参数，还应包括诸如开通时间、关断时间、功率损耗等动态参数。本文在扼要分析了BSIT的工作原理的根底上，对双极形式静电感应晶体管BSIT的动态性能进展物理分析，从物理的角度阐述了BSIT的开关特性，di/dt容量，di/dt容量及开关损耗这几个动态参数的意义。2BSIT的工作原理BSIT外延掺杂浓度很低，栅间距又很小，零栅压下沟道就己夹断，故通常处于常关状态，属常关型器件。BSIT的构造示意图如图1所示。align=center图1BSIT的构造示
4、意图/align通过选择适宜的构造参数栅间距、栅体扩散深度和材料的掺杂浓度等，在栅结自建电场的作用下，耗尽层便会在沟道内充分交亚并形成足够高的电子势垒。当不加栅偏压时，漏源电压虽对势垒的降低有一定的作用，但因沟道已处于充分夹断状态，单靠漏源电压不会有足够的电子越过势垒形成明显的漏源电流。栅压为负时VsubGS/sub3BSIT动态性能的物理分析1BSIT的开关特性的物理分析双极型静电感应晶体管是一种新型功率开关，其构造和垂直沟道JFET类似。但由于外延层掺杂浓度很低，栅间距很小，栅长也很短，栅区更接近于源区，进而栅对电流的控制更强，表现出较JFET更优良的电特性。在负栅压下，电流作用主要是沟道
5、势垒控制机制。在栅压由负变正而逐渐增大的经过中，器件由势垒控制机制向少子注入控制电流机制转化。在正向栅压很小时，由栅极注入沟道的空穴浓度很低，同时由于沟道势垒的阻挡作用，由源注入沟道的电子浓度也很小，此时势垒仍存在，在漏压作用下，电子通过沟道向漏极运动，同时由于栅结自建势的作用，流入栅极的电子电流可以忽略，电子浓度沿沟道中线向两栅方向逐渐减小。静态地看，电子电流在沟道中将补偿电离掺杂电荷，进而等价于掺杂浓度减小，即要求的夹断电压减小，随着栅压的升高，由于源上下结的反射作用，已有空穴积累于源附近的沟道区，势垒降低，注入少子空穴介入了势垒调制电流，假设栅压VsubG/sub升到足够高，势垒完全消失
6、，在沟道中的注入空穴将与由源注入的电子形成电导调制区，栅电流增加。器件处于双极运用机制，在沟道区和外延层一定范围内形成了高浓度的电子-空穴等离子体，使得所在区域开展成为准中性区并产生显著的电导调制效应。该区域内电场很小，对应电压降也很小，可通过大的漏电流，此时器件处于开态。这样就完成了由关态到开态的开启经过。BSIT的栅关断机制为：在BSIT开通状态下，nsup-/sup高阻层同时存在的大量少子和多子，当栅-阴极间加上反向栅压用来关断BSIT时，在psup+/sup栅附近存储的空穴被扫向栅极，而局部沟道电子那么流入nsup+/sup阴极区，此局部载流子的流动将诱发导在psup+/sup-nsu
7、p-/sup-nsup+/sup二极管的反向恢复电流。在nsup-/sup高阻层内存储的大局部载流子将通过psup+/sup栅极和nsup+/sup阴极区域而被扫离。当沟道势垒升高到足以切断从阴极区域注入的电子时，主传导阳极电流忽然被切断，器件进入关断状态。2BSIT的di/dt容量的物理分析由于BSIT的开通时间非常短，所以在其开通经过中，将产生很大的电流变化率di/dt，BSIT由于不受等离子体扩散速度的影响。因此具有较大的di/dt容量。BSIT的开通速率一方面取决于沟道势垒的消除速率，另一方面取决于导电沟道形成的快慢。该经过与耗尽层在沟道中的收缩直接相联络，因此，为了使BSIT快速开通
8、，必须采用低阻抗的栅极驱动电路。图2给出了BSIT在通态和阻断态对应的耗尽层情况。align=center图2BSIT在通态和阻断态时耗尽层示意图/align栅间形成的导电沟道宽度d可由1式决定：1式中的a为半栅间距，NsubD/sub为基区的掺杂浓度，VsubG/sub为外加的栅偏压，为栅结的自建电势，sub0/sub为自由空间介电常数，为硅的介电常数。从1式中我们可以看到，对于基区的不同掺杂NsubD/sub，当VsubG/sub一定时，不均匀的掺杂NsubD/sub将使不同部位的d不同。低NsubD/sub区，对应于窄的d，该区域将先于其它区域开通。结果，使得导通电流局域化，电流的部分集
9、中使该处电流的密度很高，可能导致电极铝条烧毁，使器件失效。即使是NsubD/sub掺杂均匀，在器件的开通经过中，栅极偏压也不可能同时施加于所有的栅区上，在远离栅极压点的地方，由于RC延迟作用，开通总是迟于压点四周。但在实际情况下，器件发生失效的部位首先是在源极压点附近，而不是在栅条上。这主要是由于当源极电流流过金属电极时，在金属电极的欧姆电阻RsubM/sub上产生电压降。由于金属电极条电阻自偏压效应，使源极指偏压在条长方向分布不均匀，分开电极条根部愈远，偏压愈小。造成电极条根部电流集中。因此在压点处，电流到达最大。3BSIT的dv/dt容量的物理分析dv/dt为临界阻断状态电压的上升率，在高
10、电压、大电流的BSIT的关断经过中，器件将承受很大的dv/dt，这相当于给BSIT的漏极和源极之间施加了一个正向上升电压，由于栅极串联电阻RG的去偏效应，过大的dv/dt将影响BSIT的关断，使器件不能关断或关断以后又重新开通。固然过大的dv/dt不会造成器件的损坏，但会使整个电路工作不稳定。因此必须进步器件的耐量。可用图3所示的等效电路来分析阻断经过中的dv/dt特性。RsubG/sub为栅源极之间的串联电阻，CsubGD/sub为漏极与栅极之间的等效电容。如图4所示。RsubL/sub为限流电阻。反向栅压VsubGS/sub用于关断器件。align=center图3关断瞬间等效电路图/al
11、ignalign=center图4BSIT漏极-栅极结电容等效示意图/align在关断经过中，当dv/dt过大时，漏极电压通过电容CsubGD/sub形成一反向电流，当它流经栅源电阻RsubGS/sub时，形成一与VsubGS/sub相反的电压，减弱VsubGS/sub对器件的关断作用，有时会引起器件的误导通。4BSIT的开关损耗的物理分析BSIT的功率损耗包括导通期平均功耗PsubF/sub、开通功率损耗PsubON/sub关断功率损耗PsubOFF/sub;以及栅极功耗。一般情况下，栅极功耗占全部功耗的很小的比例，可以忽略不计。开通功率损耗包括开通延迟时间和开通上升时间的损耗;关断损耗主要
12、是下降时间和尾部时间产生的损耗。开通和关断的功率损耗可以由开关波形直接计算得到，如图5和图6所示，它们分别随着开通电流和关断电流的增加而增加。align=center图5BSIT的开通损耗/alignalign=center图6BSIT的关断损耗/alignBSIT的功率损耗是随着工作频率的增加而很快的增加。并且在不同的工作频率下，各局部的损耗所占的比例不同。在低频工作时导通期平均功耗大于开通和关断功率损耗，工作频率很高时，开关损耗占主要地位，也就是开通功耗和关断功耗远大于通态功耗。另外，栅极驱动电流的大小对开关损耗有很大的影响。正向驱动电流增大，存储时间加长.关断速度变慢，高频应用时开关损耗
13、增大。但正向驱动电流减小时，动态饱和压降将上升，使通态损耗增加。因此，栅极驱动电路的设计直接影响器件的应用。4完毕语BSIT的开关特性，di/dt容量，dv/dt容量及开关损耗等是重要的动态参数，标志着BSIT的动态性能。通过对它们的物理分析，可以深化理解BSIT的动态性能与工作特性，进而，找出可以进步BSIT动态性能的方法，对实际应用有指导意义。1B.J.Baliga,Thedi/dtCapabilityofField-ControlledThyristors，Solid-stateElectronics,Vol.25,No.7,P.583-588,1982.2B.J.Baliga,Thed
14、v/dtCapabilityofField-ControlledThyristors,IEEETrans.ElectronDevices,ED-306,P612-616,June1983.3YMochida,J.Nishizawa,T.OhmiandR.Gupta,CharacteristicsofStaticInductionTransistor:EffectsofSeriesResistance,IEEETrans.ElectronDevices,VoLED-25,No.7,P761,1978.4WShockley,AUnipolarField-EffectTransistor,Proce
15、edingsIRE,Vo1.40,P1365,November19525C.BuluceaandA.Rusu,AFirstOrderTheoryoftheStaticInductionTransistor,Solid-StateElectronics,vo1.30,No.12,pp.1227-1242,1987.6S.YLiandJ.H.Yang,StudyoftheStaticInductiontransistorwithComplexStructureandwithTriode-likeI-VCharacteristics,inProc.ICPE95,Souel,SouthKorea,1995.7尹成群，赵焕庆.新型电力半导体器件BSIT的根本特性及局部应用.电力电子技术，19942