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雙極型靜電感應(yīng)晶體管動態(tài)性能的物理研究

時間:2008-08-13 10:22:00來源:ronggang

導(dǎo)語:?雙極型靜電感應(yīng)晶體管動態(tài)性能的研究體現(xiàn)在對動態(tài)參數(shù)的分析上,本文對開關(guān)特性, 容量, 容量及開關(guān)損耗等動態(tài)參數(shù)進行了詳細分析,從物理的角度闡述了這幾個動態(tài)參數(shù)的意義,對實際應(yīng)用有指導(dǎo)作用
摘 要: 雙極型靜電感應(yīng)晶體管動態(tài)性能的研究體現(xiàn)在對動態(tài)參數(shù)的分析上,本文對開關(guān)特性, 容量, 容量及開關(guān)損耗等動態(tài)參數(shù)進行了詳細分析,從物理的角度闡述了這幾個動態(tài)參數(shù)的意義,對實際應(yīng)用有指導(dǎo)作用。 關(guān)鍵詞: 物理研究; 動態(tài)性能; 動態(tài)參數(shù); 雙極型靜電感應(yīng)晶體管 1 引言   電力半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),是電力半導(dǎo)體裝置的心臟。電力半導(dǎo)體器件的特性直接影響電力電子系統(tǒng)的體積、重量、價格和性能。八十年代以來,隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,微電子與電力電子在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的功率集成器件。在眾多的新型半導(dǎo)體器件當中,靜電感應(yīng)(SI)器件是新生發(fā)展起來的獨具特色的電力半導(dǎo)體器件,并且己發(fā)展成為一個相當大的SI家族.該家族的主要品種有功率SIT、超高頻SIT、微波SIT、雙極模式靜電感應(yīng)晶體管(BSIT)、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)以及靜電感應(yīng)集成電路(SIT-IC)。   其中雙極模式靜電感應(yīng)晶體管BSIT是將SIT和雙極性器件BJT的作用綜合在一起,取各自優(yōu)點而形成的一種新型器件。它具有工作頻率高,頻帶寬,輸出功率大、增益高,輸入阻抗高,容易驅(qū)動,輸出阻抗低,熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于靜電感應(yīng)器件電流容量大,開關(guān)速度快,適合于作為大功率開關(guān)器件,所以在研究靜電感應(yīng)器件時的性能時不僅包含漏電流、放大倍數(shù)、擊穿電壓等靜態(tài)參數(shù),還應(yīng)包括諸如開通時間、關(guān)斷時間、功率損耗等動態(tài)參數(shù)。   本文在簡要分析了BSIT的工作原理的基礎(chǔ)上,對雙極模式靜電感應(yīng)晶體管BSIT的動態(tài)性能進行物理分析,從物理的角度闡述了BSIT的開關(guān)特性,di/dt容量,di/dt容量及開關(guān)損耗這幾個動態(tài)參數(shù)的意義。 2 BSIT的工作原理   BSIT外延摻雜濃度很低,柵間距又很小,零柵壓下溝道就己夾斷,故通常處于常關(guān)狀態(tài),屬常關(guān)型器件。BSIT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 BSIT的結(jié)構(gòu)示意圖[/align]   通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)(柵間距、柵體擴散深度和材料的摻雜濃度等),在柵結(jié)自建電場的作用下,耗盡層便會在溝道內(nèi)充分交亞并形成足夠高的電子勢壘。當不加?xùn)牌珘簳r,漏源電壓雖對勢壘的降低有一定的作用,但因溝道已處于充分夾斷狀態(tài),單靠漏源電壓不會有足夠的電子越過勢壘形成明顯的漏源電流。   柵壓為負時(V[sub]GS[/sub]<0),柵溝p-n結(jié)反偏,溝道勢壘更加升高,器件處于完全夾斷狀態(tài)。阻斷電壓VDS給出了器件的耐壓容量。V[sub]G[/sub]一定,當V[sub]D[/sub]升高到一定值時,有微小的電流流經(jīng)器件,該電流為多子電流,屬于勢壘控制電流,此時器件工作在單極模式,I-V特性呈現(xiàn)出類三極管特性,且沿V[sub]D[/sub]軸有一定的位移,這一位移電壓給出了器件的“特征電壓”。   當柵壓為正且足夠大時,柵溝p-n結(jié)為正偏,有少子空穴由柵極注入溝道。少子參與使器件的作用機制發(fā)生了根本性的變化。隨著柵壓的增加,注入空穴不斷增大,同時有對應(yīng)的電子由源區(qū)注入,在溝道區(qū)和外延層內(nèi) (一定范圍內(nèi))形成了高濃度的電子—空穴等離子體,使得所在區(qū)域發(fā)展成為準中性區(qū)并產(chǎn)生顯著的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。該區(qū)域內(nèi)電場很小,對應(yīng)的電壓降也很小,可通過大的漏電流,器件處于開態(tài),也稱為飽和狀態(tài)。此時電流的大小受注入少子 (空穴)的調(diào)制。屬電流控制型。此種狀態(tài)稱為雙極模式。大的電流和甚低的通態(tài)壓降是此模式的基本特征。I-V特性呈類五極管形式。 3 BSIT動態(tài)性能的物理分析  ?。?) BSIT的開關(guān)特性的物理分析   雙極型靜電感應(yīng)晶體管是一種新型功率開關(guān),其結(jié)構(gòu)和垂直溝道JFET類似。但由于外延層摻雜濃度很低,柵間距很小,柵長也很短,柵區(qū)更接近于源區(qū),從而柵對電流的控制更強,表現(xiàn)出較JFET 更優(yōu)良的電特性。   在負柵壓下,電流作用主要是溝道勢壘控制機制。在柵壓由負變正而逐漸增大的過程中,器件由勢壘控制機制向少子注入控制電流機制轉(zhuǎn)化。在正向柵壓很小時,由柵極注入溝道的空穴濃度很低,同時由于溝道勢壘的阻擋作用,由源注入溝道的電子濃度也很小,此時勢壘仍存在,在漏壓作用下,電子通過溝道向漏極運動,同時由于柵結(jié)自建勢的作用,流入柵極的電子電流可以忽略,電子濃度沿溝道中線向兩柵方向逐漸減小。靜態(tài)地看,電子電流在溝道中將補償電離摻雜電荷,從而等價于摻雜濃度減小,即要求的夾斷電壓減小,隨著柵壓的升高,由于源高低結(jié)的反射作用,已有空穴積累于源附近的溝道區(qū),勢壘降低, 注入少子(空穴) 參與了勢壘調(diào)制電流, 若柵壓V[sub]G[/sub]升到足夠高,勢壘完全消失,在溝道中的注入空穴將與由源注入的電子形成電導(dǎo)調(diào)制區(qū),柵電流增加。器件處于雙極運用機制, 在溝道區(qū)和外延層一定范圍內(nèi)形成了高濃度的電子-空穴等離子體, 使得所在區(qū)域發(fā)展成為準中性區(qū)并產(chǎn)生顯著的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。該區(qū)域內(nèi)電場很小,對應(yīng)電壓降也很小,可通過大的漏電流,此時器件處于開態(tài)。這樣就完成了由關(guān)態(tài)到開態(tài)的開啟過程。   BSIT 的柵關(guān)斷機制為:在BSIT 開通狀態(tài)下,n[sup]-[/sup]高阻層同時存在的大量少子和多子,當柵-陰極間加上反向柵壓用來關(guān)斷BSIT 時,在p[sup]+[/sup]柵附近存儲的空穴被掃向柵極,而部分溝道電子則流入n[sup]+[/sup]陰極區(qū),此部分載流子的流動將誘發(fā)(導(dǎo)) 在p[sup]+[/sup]-n[sup]-[/sup]-n[sup]+[/sup]二極管的反向恢復(fù)電流。在n[sup]-[/sup]高阻層內(nèi)存儲的大部分載流子將通過p[sup]+[/sup]柵極和n[sup]+[/sup]陰極區(qū)域而被掃離。當溝道勢壘升高到足以切斷從陰極區(qū)域注入的電子時,主傳導(dǎo)陽極電流突然被切斷,器件進入關(guān)斷狀態(tài)。  ?。?) BSIT的di/dt容量的物理分析   由于BSIT的開通時間非常短,所以在其開通過程中,將產(chǎn)生很大的電流變化率di/dt,BSIT由于不受等離子體擴散速度的影響。因此具有較大的di/dt容量。   BSIT的開通速率一方面取決于溝道勢壘的消除速率,另一方面取決于導(dǎo)電溝道形成的快慢。該過程與耗盡層在溝道中的收縮直接相聯(lián)系,因此,為了使BSIT快速開通,必須采用低阻抗的柵極驅(qū)動電路。   圖2給出了BSIT在通態(tài)和阻斷態(tài)對應(yīng)的耗盡層情況。 [align=center] 圖2 BSIT在通態(tài)和阻斷態(tài)時耗盡層示意圖[/align]   柵間形成的導(dǎo)電溝道寬度d可由(1)式?jīng)Q定:    (1)   式中的a為半柵間距,N[sub]D[/sub]為基區(qū)的摻雜濃度,V[sub]G[/sub]為外加的柵偏壓,Φ為柵結(jié)的自建電勢,ε[sub]0[/sub]為自由空間介電常數(shù),ε為硅的介電常數(shù)。   從(1)式中我們可以看到,對于基區(qū)的不同摻雜N[sub]D[/sub],當V[sub]G[/sub]一定時,不均勻的摻雜N[sub]D[/sub]將使不同部位的d不同。低N[sub]D[/sub]區(qū),對應(yīng)于窄的d,該區(qū)域?qū)⑾扔谄渌鼌^(qū)域開通。結(jié)果,使得導(dǎo)通電流局域化,電流的局部集中使該處電流的密度很高,可能導(dǎo)致電極鋁條燒毀,使器件失效。   即使是N[sub]D[/sub]摻雜均勻,在器件的開通過程中,柵極偏壓也不可能同時施加于所有的柵區(qū)上,在遠離柵極壓點的地方,由于RC延遲作用,開通總是遲于壓點周圍。但在實際情況下,器件發(fā)生失效的部位首先是在源極壓點附近,而不是在柵條上。這主要是因為當源極電流流過金屬電極時,在金屬電極的歐姆電阻R[sub]M[/sub]上產(chǎn)生電壓降。由于金屬電極條電阻自偏壓效應(yīng),使源極指偏壓在條長方向分布不均勻,離開電極條根部愈遠,偏壓愈小。造成電極條根部電流集中。因此在壓點處,電流達到最大。  ?。?) BSIT的dv/dt容量的物理分析   dv/dt為臨界阻斷狀態(tài)電壓的上升率,在高電壓、大電流的BSIT的關(guān)斷過程中,器件將承受很大的dv/dt,這相當于給BSIT 的漏極和源極之間施加了一個正向上升電壓,由于柵極串聯(lián)電阻RG的去偏效應(yīng),過大的dv/dt將影響B(tài)SIT的關(guān)斷,使器件不能關(guān)斷或者關(guān)斷以后又重新開通。雖然過大的dv/dt不會造成器件的損壞,但會使整個電路工作不穩(wěn)定。因此必須提高器件的 耐量。   可用圖3所示的等效電路來分析阻斷過程中的dv/dt特性。R[sub]G[/sub]為柵源極之間的串聯(lián)電阻,C[sub]GD[/sub]為漏極與柵極之間的等效電容。如圖4所示。R[sub]L[/sub]為限流電阻。反向柵壓V[sub]GS[/sub]用于關(guān)斷器件。 [align=center] 圖3 關(guān)斷瞬間等效電路圖[/align] [align=center] 圖4 BSIT漏極-柵極結(jié)電容等效示意圖[/align]   在關(guān)斷過程中,當dv/dt過大時,漏極電壓通過電容C[sub]GD[/sub]形成一反向電流,當它流經(jīng)柵源電阻R[sub]GS[/sub]時,形成一與V[sub]GS[/sub]相反的電壓,減弱V[sub]GS[/sub]對器件的關(guān)斷作用,有時會引起器件的誤導(dǎo)通。  ?。?) BSIT的開關(guān)損耗的物理分析   BSIT的功率損耗包括導(dǎo)通期平均功耗P[sub]F[/sub]、開通功率損耗P[sub]ON[/sub]關(guān)斷功率損耗P[sub]OFF[/sub];以及柵極功耗。一般情況下,柵極功耗占全部功耗的很小的比例,可以忽略不計。   開通功率損耗包括開通延遲時間和開通上升時間的損耗;關(guān)斷損耗主要是下降時間和尾部時間產(chǎn)生的損耗。   開通和關(guān)斷的功率損耗可以由開關(guān)波形直接計算得到,如圖5和圖6所示,它們分別隨著開通電流和關(guān)斷電流的增加而增加。 [align=center] 圖5 BSIT的開通損耗[/align] [align=center] 圖6 BSIT的關(guān)斷損耗[/align]   BSIT的功率損耗是隨著工作頻率的增加而很快的增加。并且在不同的工作頻率下,各部分的損耗所占的比例不同。在低頻工作時導(dǎo)通期平均功耗大于開通和關(guān)斷功率損耗,工作頻率很高時,開關(guān)損耗占主要地位,也就是開通功耗和關(guān)斷功耗遠大于通態(tài)功耗。   另外,柵極驅(qū)動電流的大小對開關(guān)損耗有很大的影響。正向驅(qū)動電流增大,存儲時間加長.關(guān)斷速度變慢,高頻應(yīng)用時開關(guān)損耗增大。但正向驅(qū)動電流減小時,動態(tài)飽和壓降將上升,使通態(tài)損耗增加。因此,柵極驅(qū)動電路的設(shè)計直接影響器件的應(yīng)用。 4 結(jié)束語   BSIT的開關(guān)特性,di/dt容量,dv/dt容量及開關(guān)損耗等是重要的動態(tài)參數(shù),標志著BSIT的動態(tài)性能。通過對它們的物理分析,可以深入理解BSIT的動態(tài)性能與工作特性,從而,找出可以提高BSIT動態(tài)性能的方法,對實際應(yīng)用有指導(dǎo)意義。 參考文獻   [1] B.J.Baliga, "The di/dt Capability of Field-Controlled Thyristors",Solid-state Electronics, Vol.25, No.7, P.583-588,(1982).   [2] B.J.Baliga, "The dv/dt Capability of Field-Controlled Thyristors",IEEE Trans.Electron Devices, E D-30(6),P612-616,June(1983).   [3] YMochida, J.Nishizawa, T.Ohmi and R.Gupta, Characteristics of Static Induction Transistor: Effects of Series Resistance, IEEE Trans. Electron Devices, VoLED-25,No.7, P761, 1978.   [4] W Shockley, A Unipolar "Field-Effect" Transistor, Proceedings IRE, Vo1.40, P1365, November 1952   [5] C.Bulucea and A.Rusu, A First Order Theory of the Static Induction Transistor, Solid-State Electronics, vo1.30, No.12, pp.1227-1242, 1987.   [6] S.YLi and J.H.Yang, Study of the Static Induction transistor with Complex Structure and with Triode-like I-V Characteristics, in Proc. ICPE‘95, Souel, South Korea, 1995.   [7] 尹成群,趙煥慶.新型電力半導(dǎo)體器件BSIT的基本特性及部分應(yīng)用.電力電子技術(shù),1994(2)

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