功率器件工程师笔记——集成门极换流晶闸管IGCT

1、结构特点及类型

图1 GCT的基本结构

（1）非对称GCT

     AS-GCT是p⁺nn^-pn⁺五层非对称晶闸管结构，其p⁺阳极区是一个浅的中等掺杂区，由于电子很容易穿过，故称为透明阳极。

      在n^-基区和p⁺透明阳极区之间附加了一层n型区，它比常规的非对称晶闸管的缓冲层掺杂浓度低，因此对透明阳极注入的空穴无阻挡作用，只对n^-基区的电场强度起压缩作用，故称为场阻止（FS）层。

     场阻止层是低表面浓度和较深的n型层；透明阳极是低表面浓度和较浅的p型层。

（2）逆导GCT

     由AS-GCT与pn^-nn⁺二极管反并联组成。在AS-GCT与集成二极管之间采用了pnp结构来实现结隔离，门-阴极之间无论加正向或反向电压时，pnp结构中总有一个pn结反偏，其漏电流很小，故采用这种pnp隔离的效果要比电阻隔离好很多。

（3）双门极GCT

      以n^-基区为中心的上下对称结构，有两个门极。五层的p⁺nn^-pn⁺结构是由两个不同基区的双晶体管组成，其中p⁺nn^-p 为宽基区晶体管，n⁺pn^-n为窄基区晶体管。上表面有阴极K与开通门极G₁，下表面有阳极A与关断门极G₂。采用双门极有利于提高器件的关断速度和工作温度。与单门极GCT相比，关断损耗可降低70%，6kV时工作结温可高达160℃。它适用于高电压、大电流和高频率的场合。

图2 DG-GCT的基本结构及等效电路

（4）波状基区GCT

      为了提高GCT的电压容量并改善其反偏安全工作区开发的。

      图3a加强p基区是在标准的p基区工艺的基础上，利用n⁺阴极区的掩蔽作用，进行大面积Al扩散形成的。

      图3b波状基区高掺杂浓度p⁺区是由硼扩散形成的，低掺杂浓度p^-区是在n⁺阴极区的掩蔽下由铝注入和高温推进形成的。   

图3 加强基区与波状基区GCT结构比较

      加强基区和波状基区结构制作关键不仅是J2结面波纹形状的控制，而且对J3结结深与次表面浓度的控制也非常重要。

（5）双芯GCT

     由两个GCT芯片并联在同一个硅片上，芯片背面为两者共同的阳极，正面分别为两者的阴极和门极，GCT-A采用中心门极，GCT-B采用环形门极，两芯片之间通过隔离环进行电隔离，并采用特殊的压接式封装。GCT-A的通态损耗较低，GCT-B的开关损耗较低。因此D-GCT芯片同时拥有低开关损耗和通态损耗。

图4 D-GCT芯片的门-阴极图形与等效结构

（6）逆阻GCT

     由AS-GCT与二极管通过钼片串联压接而成的。GCT的阴极作为RB-GCT的阴极，二极管的阳极作为RB-GCT的阳极。反向工作时，阻断电压由二极管承受。采用这种压接式封装， 其冷却成本可降低50% 。

图5 AS-GCT与二极管的串联

2、工作原理与I-U特性

图6 GCT关断时电流与电压波形及各阶段的电流分布

3、静态与动态特性

3.1静态特性

     n FS层仅起压缩n^-基区电场的作用，对透明阳极的载流子注入无阻挡作用，但由于透明阳极的掺杂浓度有限，使得导通期间存储的载流子浓度较少，导致通态压降较大。而透明阳极对关断特性特别有利。可见，只有将透明阳极和n FS层结合起来，才能发挥GCT的优良特性。

3.2开关特性

     通常把GCT与门极驱动电路通过印制电路板相连，将门极驱动电路的电感降到20nH以下，且GCT管壳的电感约为5nH，因此可获得较高di_G/dt以实现门极“硬驱动”。

      GCT开通时，采用正的强触发脉冲，并要求di_G/dt可达1kA/μs 以上，峰值电流I_GM约为1kA（比GTO大一倍），以便在极短的时间内，使其阴极npn晶体管在GCT导通之前就出现有效饱和，实现均匀的导通，以减小开通损耗和延迟时间。

      GCT关断时，采用很强的负门极电流脉冲，并要求负门极电流I_TGQ在1μs内上升到最大可关断阳极电流I_TGQM；即门极电流的上升率-di_G/dt必须约等于-I_TGQM/1μs，使门阴极J₃结迅速截止，阳极电流都转由门极流出，GCT像pnp晶体管一样自关断。GCT关断时间很短，关断损耗也很小。

3.3门极特性

     门极特性直接决定了GCT能否通过门极电流控制来可靠地开通和关断。将p基区的次表面掺杂浓度N_PJ3控制在（3～7）×10¹⁷cm^-3范围内，则GCT的J₃结的击穿电压可达到22V 左右，且阴极npn晶体管也处于浅饱和状态，可满足GCT对门极特性的设计要求。

      在门极驱动电路中采用低感电容器和低阻MOS，使得GCT关断时驱动电路在1μs之内就可将阳极电流转换到门极。

门极允许的最大电感为：，式中，换流时间t_com，

     L_G和R_G不仅由外部引线决定，R_G包括门极驱动电路中MOS的导通电阻、内部引线电阻、管壳内的连接电阻，以及GCT管芯门极金属化电阻，要求 MOS必须具有稍高于20V 的阻断能力和低导通电阻。为了减小门极回路的杂散电感L_G，GCT通常采用低感管壳，并将GCT与门极驱动器之间的距离限制在15cm左右。

4、关键技术及其原理

4.1透明阳极

    （1）电流输运过程

     透明阳极是指厚度很薄，且掺杂浓度较低的p⁺区，它所形成的p⁺n结为超浅结，载流子易于穿越。采用透明阳极可以显著改善GCT的关断特性与功耗。

     图7中W_p1为GCT的p⁺阳极区厚度，W_n-n为n^-基区和n FS层的厚度总和，且W_p1 <<W_n-n。W_xp和W_xn分别为p⁺n结的p⁺阳极区和n FS层的耗尽层宽度，且w_xp<<w_xn。w1和w2分别为nn-结在n区和n-区两侧耗尽层宽度。

     普通的p⁺n结阳极区很厚，掺杂浓度较高，阳极中性区厚度满足（W_p1-W_xp）>>L_n，其有效复合速率可表示为：           

图7 p⁺nn^-结构的电荷输运及其能带示意图

     浅p⁺n结阳极区较薄，阳极中性区厚度满足（W_p1-w_xp）≤L_n时，则有效复合速率可表示为:

      透明阳极厚度很薄且掺杂浓度较低，阳极中性区比以上两种p⁺n更薄，即使在正偏压下，满足（W_p1-W_xp）<<L_n（可称之为超浅结）。电子复合速率为常数，与阳极区体内和表面非平衡载流子浓度梯度有关，由最大扩散速率确定，其值大约为载流子热速率（10⁷ cm/s）。

      公式为：

       式中A^∗为有效里查逊常数（110A/K²·cm²）；N_C为导带有效的状态密度（2.8×10¹⁹cm^-3），故v_sn约为2.2×10⁶cm/s。

   （2）透明阳极的注入效率

     阳极pnp晶体管空穴注入效率：

     GCT透明阳极注入效率：   (W_p1<<L_n)

     图8中GCT的γ_n和γ_p的相对大小随J_A发生明显的变化；而GTO的γ_n和γ_p和SA-GTO的γ_n和γ_p随J_A变化很小，且γ_n远低于 γ_p。这是因为注入效率主要与结两边的掺杂浓度和厚度及外加正偏压U_AK有关。对常规的p⁺n 结，J_p>> J_n，而p⁺透明阳极区较薄，掺杂浓度较低，只是J_p>J_n，说明J_A中的J_n分量增大，或者说电子的注入效率提高。

图8 普通阳极、短路阳极及透明阳极注入效率比较

   （3）透明阳极的特性

     透明阳极可通过流经自身的电流来有效地调制其注入效率，在低电流密度下，有较高的空穴注入效率和较低的电子注入效率，在高电流密度下，有较高的电子注入效率和较低的空穴注入效率。当GCT开通时，高的空穴注入效率可有效地降低门极触发电流，从而降低对门极驱动电路的要求；当GCT关断时，高电子注入效率可以有效地排除n^-基区中的非平衡载流子，同时，低空穴注入效率伴随较少的空穴注入，有利于器件快速关断。

4.2注入效率可控阳极

    （1）IEC-GCT的结构及等效电路

     IEC-GCT基本结构与阳极短路GTO非常相似。它是在SA-GTO的阳极n⁺短路区增加一个很薄的介质层 （二氧化硅或硼硅玻璃，用Z_ox表示介质层的厚度，W_ox表示覆盖在p⁺阳极区上介质层的宽度），于是n⁺短路区变成一个浮置区。为了保证IEC阳极介质层的可靠性， 不能采用类似SA-GTO的烧结工艺形成阳极接触，必须采用多层金属化电极及压接式封装结构。

      双发射极的晶体管：p⁺阳极区、n^-基区和p基区形成了Vpnp1；p⁺阳极区、n⁺浮置区、n^-基区和p基区形成了宽基区Vpnp2。

图9 IEC-GTC基本结构及等效电路 

图10 IEC-GTC导通示意图

    （2）电流输运过程

     导通时，n^-基区的部分电子向p⁺阳极区和n⁺浮置区漂移。由于n⁺浮置区与阳极电极间存在介质层，所以电子不能直接被阳极收集，只能积累在介质层附近的n⁺浮置区，使得n⁺浮置区和n^-基区内的电子浓度增加，导致该处的电位下降。为了维持这些区域的电中性， 迫使p⁺阳极区向n^-基区和n⁺浮置区注入大量的空穴，该现象称为空穴注入增强（IE）效应。 IE效应会导致导通期间的器件内的载流子浓度增加，可显著改善器件的通态特性。

    （3）IEC阳极的注入效率

当IEC-GCT的阳阴极间刚开始加上正向电压U_AK时，阳极电流I_A较小，主要流过晶体管 V_pnp1。随着阳极电流的不断增加，阳极电阻R_A上的压降增加，使得U_be（pnp1）下降，导致V_pnp1的空穴注入下降，于是更多的电流流过V_pnp2。由于V_pnp2和V_pnp1的注入效率不同，因此IEC的阳极注入效率将会随阳极电流变化：在小电流下，阳极注入效率由V_pnp1的参数决定，其值较大；在大电流下，阳极注入效率由V_pnp2的参数决定，其值较小。

      IEC阳极的注入效率随阳极电流的变化程度与阳极电阻R_A的大小有关。R_A越大，则注入效率随阳极电流的变化就越大。R_A值由阳极区的掺杂浓度和截面积决定。阳极区的掺杂浓度过低，会导致器件的通态特性变差。阳极剖面受短路环宽度的限制，最大的短路环宽度为阴极条宽，同时还与阳极附加介质层宽度w_ox有关，w_ox越宽，阳极接触面积就越小，R_A就越大。由此可知，适当降低阳极区的掺杂浓度，并采用较窄的阳极剖面，可增加R_A，有利于调节 IEC阳极的注入效率。

     图11 IEC阳极和普通阳极的注入效率比较

     图11当J_A<40A/cm²，GTO和IEC-GCT的γ_p都很高，且γ_p→1。当J_A>40A/cm²时，GTO的γ_p几乎保持不变，而IEC-GCT的γ_p随J_A增大而下降，同时γ_n随J_A增大而增大。通过优化阳极的掺杂浓度和介质层覆盖在阳极区的宽度，可以获得与透明阳极相似的注入效率。

4.3波状基区

图12  波状P基区GCT与传统AS-GCT的结构比较

    （1）CP-GCT波纹形状的表征

      图12b分析模型中，J₂结是由AB弧、AC平面结及CD弧组成的波状结构。AC段为波纹顶部宽度，用W表示，波纹高度用H表示。w_c为n⁺阴极区宽度，xj_Al为铝扩散深度，x_jB为硼扩散深度，W_n2表示n⁺阴极区厚度，则p基区总厚度W_p=x_jAl -W_n2，p⁺基区厚度W_p+=x_jB-W_n2。

     式中K为铝扩散深度的横向系数，通常取0.7~0.8，硼铝同时扩散时k取0.88。

     不论w如何选取，当Al从表面扩散时，H和W都将同时分别满足下列两式：

       如果Al掺杂位置在门极沟槽底部，杂质扩散窗口与表面相差一个沟槽深度d_G。计算波纹高度和宽度时，Al扩散和B扩散深度用（x_jA-d_G）和（x_jB-d_G）替代上面四公式中的结深。

    （2）波状基区的作用与原理

      波状基区可调制CP-GCT阻断状态下的电场强度分布，使J₂结面的横向电场强度不再呈均匀分布，阴极中心下方J₂结处的电场强度最低，门阴极边界下方J₂结弯曲处p基区内的电场强度最高，故在开通初期会加速载流子向两侧扩展，有利于CP-GCT快速开通，另外还有助于器件在导通和开关期间获得均匀的电流分布，避免出现电流集中，从而增强器件抗不平衡感性负载引起的电应力冲击。关断末期会加速载流子向门极抽取，有利于器件关断；在动态雪崩期间，有助于释放耗尽区内侧产生的空穴，从而增大反偏安全工作区。

    （3）波状基区的特性

     可有效改善GCT的通态特性和关断过程中的均匀性，但对阻断特性稍有影响。波纹高度越高，对导通和开通特性越有利，但对阻断特性和关断特性越不利。

5、特性参数

（1）阻断特性参数

        断态重复峰值电压U_DRM：IGCT在阻断状态能承受的最大重复电压。

断态重复峰值电流I_DRM：IGCT在断态重复峰值电压下的正向漏电流。

      中间直流回路电压U_DCLink：在海平面露天环境的宇宙射线条件下，失效率为100FIT（1FIT=10⁹h出现1次失效）时，IGCT所能长久承受的直流电压。

（2）通态特性参数

      最大通态平均电流 I_T(AV)M：正弦半波电流、壳温T_c=85℃时，IGCT所能允许的最大平均电流。

      最大通态电流有效值 I_T(RMS)：正弦半波电流、壳温T_c=85℃时，IGCT所允许的最大电流有效值。

      浪涌电流I_TSM：由电路异常情况引起的，并使结温超过额定的不重复最大正向过载电流。

      通态压降U_T：在规定的通态电流下测得的IGCT通态管压降。

（3）开通参数

       当续流二极管导通时，为了确保GCT不被误触发，需要外加一个负的外部重触发脉冲（External Retrigger Pulse）信号，其宽度用t_retrig表示。通常t_retrig在600～1000ns范围内。

      开通状态反馈延迟时间t_{d(on) SF}：从接收到开通命令开始到状态发生变化所需时间，一般为7μs。

      开通延迟时间t_d(on)：从接收到开通命令开始，到阳极电压从稳态值U_D下降到0.1U_D所经历的时间，一般为3.5μs。

     下降时间t_f：阳极电压从0.9U_D下降到0.1U_D所需要的时间，一般为1μs。

     最大通态电流上升率di_T/dt_(cr)：在规定测试条件下，允许的最大通态电流上升率。

     开通脉冲能量：IGCT开通一次所消耗的能量。

图13 IGCT的开关波形与开关时间定义

（4）关断参数

     关断状态反馈延迟时间t_d(off)SF：从接收到关断命令开始，到状态发生变化所需的时间， 一般为7μs。

     关断延迟时间t_d(off)：从接收到关断命令开始，到GCT的阳极电流下降到0.4I_TGQ所经历的时间，一般为7～11μs。

      最大可关断电流I_TGQM：能够用门极关断的IGCT最大阳极电流。

（5）机械参数

      安装力F_M：安装IGCT所需要的压力。一般给出最小压力和最大压力两个值，标称的安装压力取中值。

（6）热特性参数

    最高工作结温T_jM：GCT工作时最高结温，一般为 125℃。

    最高贮存温度T_stg：GCT贮存时的最高温度，一般为60℃。

    最高环境温度T_a：GCT工作时的最高环境温度，一般为50℃。

    结-管壳的最大热阻 R_thjc：在双边冷却的条件下，GCT内部pn结到GCT管壳之间的热阻，一般为8. 5K/kW。

    管壳-散热器最大热阻R_thch：在双边冷却的条件下，GCT管壳与外部散热器之间的热阻，一般为3K/kW。

6其他集成器件

6.1发射极关断晶闸管ETO

图14 ETO的外形结构、电路符号、内部电流通路及等效结构

     ETO采用硬驱动技术，在保持GTO原有大容量、低通态损耗的基础上，改善了关断性能，提高了开关速度，扩大了反偏安全工作区。ETO更易于并联和串联运行，可进一步提高功率处理能力。主要用于电流源逆变器，有望在大功率交流和牵引领域占据重要地位。

6.2 MOS关断晶闸管MTO

图15 MTO外形、结构剖面及电路图形符号

      MTO关断比较容易，只需要一个电压信号就可关断数千安的电流。与ETO相同，MTO导通也需要一个额外的电源控制。MTO可用于中电压（>2.3kV）驱动器、有源滤波器、逆变器及静止同步补偿器（STATCOM）、大功率UPS及固态断路器。