近年來,高壓晶閘管的應(yīng)用獲得了長足的發(fā)展,(4000~6500)伏的高壓晶閘管已廣泛投放市場，在SVC靜止型動態(tài)無功功率補償裝置、發(fā)電機勵磁、大型同步機高壓軟起動電源以及鋁電解等大型機電設(shè)備上都獲得了成功應(yīng)用。國際上以ABB、EUPEC為代表,國內(nèi)以西安電力電子技術(shù)研究所【1】、株州南車時代電力電子事業(yè)部為代表都有多年高壓晶閘管研制生產(chǎn)的成功經(jīng)驗。 

一，前言

當(dāng)晶閘管器件被施加雪崩擊穿電壓時，空間電荷區(qū)主要在承擔(dān)電壓的PN結(jié)（如晶閘管的J1結(jié)，或J2結(jié)）兩旁展開，體內(nèi)電場強度達最大值。這時，如果不加處理，表面處（又叫終端區(qū)）電場強度將可能超過體內(nèi)電場強度，造成擊穿電壓降低。作為降低表面電場強度使其低于體內(nèi)最大電場強度的技術(shù)有：表面腐蝕成型技術(shù)、PN結(jié)終端技術(shù)、磨角等機械造型技術(shù)、噴砂造型技術(shù)等等。前兩者適宜于中、低電壓的中小功率器件，后兩者適宜于中、高壓大功率器件。 

表面造型技術(shù)是制造晶閘管的關(guān)鍵技術(shù)之一。將中、低電壓晶閘管的表面造型經(jīng)驗（如有的單位采用；正角磨30度，負(fù)角磨3~5度）簡單移植到高壓晶閘管是不妥當(dāng)?shù)?，必須依?jù)高壓晶閘管的實際情況,作出新的研究改進。這里常用的表面造型技術(shù)有三種：（1）雙正角造型，技術(shù)難度大些，高溫特性差些,適宜超高壓（6500V及以上）晶閘管。（2）雙負(fù)角造型，適宜于全壓接結(jié)構(gòu)，對機械加工技術(shù)要求高些，獨有特點是方便于（1.0.0）晶向單晶的采用。（3）正負(fù)角造型，適宜于6500V及以下的高壓晶閘管,相對技術(shù)難度小些。 

本公司自2003年起，在學(xué)習(xí)、借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開始研制生產(chǎn)高壓晶閘管,首先采用的就是正負(fù)角造型結(jié)構(gòu)。本文敘述的就是我們在高壓晶閘管正負(fù)角表面造型技術(shù)上的一些研究改進，這些改進工作連同整個設(shè)計技術(shù)工作一起確保了高壓晶閘管研制生產(chǎn)順利進行。  

二，正斜角造型的研究改進

1），無論是采用腐蝕、磨角、噴砂，對J1結(jié)（由P1N1P2N2構(gòu)成的晶閘管，其P1N1結(jié)即J1結(jié)）來講，往往都成正斜角。這里所謂正斜角，即斜面面積由高濃度向低濃度方向減少的造型。 

戴威斯(Davies）和金特立（Gentry）給出了峰值表面電場強度Em和表面造型角度θ對應(yīng)關(guān)系的計算結(jié)果【2】、(見圖1)。奠定了表面造型技術(shù)的理論基礎(chǔ)。由文獻【2】和圖1知道：對正斜角，即使不造型，表面空間電荷區(qū)的電場都不大于體內(nèi)最大電場強度，且由正90度向0度方向減少,表面最大電場強度雖然深入到體內(nèi)，但仍然是呈單調(diào)下降的趨勢。為了使因造型而損失的陰極面積減到最小,斜角取接近90度為好，考慮到腐蝕、鈍化保護的需要,最小正斜角也要大于60度。而傳統(tǒng)的正角磨角器最大只能磨35度,為此必須采用噴砂造型。

2），表面空間電荷區(qū)寬度和體內(nèi)空間電荷區(qū)寬度的關(guān)系式  

以下給出：在P+N結(jié)正斜角造型時，表面空間電荷區(qū)寬度和體內(nèi)空間電荷區(qū)寬度Xm的關(guān)系式【3】。  

令θ1為正斜角，腳標(biāo)1是為和以下的負(fù)斜角θ2相區(qū)別，Xm為體內(nèi)空間電荷區(qū)寬度，Xms 為表面空間電 荷區(qū)寬度?？梢宰C明： 

證明如下：如圖2：當(dāng)器件外加反向電壓VR時，空間電荷區(qū)在PN結(jié)兩邊展開，N基區(qū)展寬為Xm，P+區(qū)展寬為 Xm(P)由于P+區(qū)高濃度,展寬Xm（P）和Xm相比可以忽略。這樣，總的體內(nèi)空間電荷區(qū)寬度仍可記為：Xm。  

表面磨一正斜角θ1,不考慮表面再展寬的表面位置為A,再展寬以后為B,利用電中性原理,磨去的△OAD和上翹的△CAB面積應(yīng)相等。故有： AB=AD。  

由圖2知：AD=ODctgθ1 ，OA=OD/sinθ1 , OD= Xm。而表面空間電荷區(qū)寬度Xms就是OB,  OB=OA+AB

進一步，由B點向PN結(jié)位置線作垂線得上翹高度為XmsG： 

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

由公式（1）（2）和表1更加清晰地說明：  

（1），Xms始終大于Xm，即正斜角時，表面電場強度始終低于體內(nèi)最大電場度，說明正斜角造型適合于雪崩型器件的研制生產(chǎn)；  

（2），小正斜角θ1將導(dǎo)致Xms，進而XmsG 過大，不僅因Xms大而造成表面漏電流過大，且因XmsG 過大而延伸到P2區(qū)，則因穿通而導(dǎo)致耐壓降低；  

（3），要想使XmsG不超過Xm的30%，則θ1必須大于73度。這更進一步說明采用噴砂造型,并使正斜角θ1?。?0~80）度角的道理。 三，負(fù)斜角造型的研究改進" width="12" height="23" alt="" /> 對晶閘管的J2結(jié)（由P1N1P2N2構(gòu)成的晶閘管，其P2N1結(jié)即J2結(jié)）來講,往往都造型成負(fù)斜角,且常常用θ2來表示。這里所謂負(fù)斜角，即斜面面積由高濃度（如P2區(qū)）向低濃度（如N1區(qū)）方向增加的造型。  

由文獻【2】和圖1還可以知道，只有在15度左右以下的負(fù)斜角造型，其表面的電場強度（用Ems表示）才能低于體內(nèi)最大電場強度（用Em表示，如：Em≥2×105V/cm）。對高壓晶閘管,這個負(fù)斜角要很小很小，如1度~3度左右，甚至要小于1度。對1度左右的負(fù)斜角造型，不僅工藝上很難實現(xiàn)，且造成陰極的有效面積大大減少。  

1973年，科紐（Cornu）【3】對負(fù)斜角造型作了深一步的研究,發(fā)現(xiàn)最大表面電場強度Ems出現(xiàn)在表面以內(nèi)25微米處（稱謂次表面），且比體內(nèi)Em還要大些，即使很小很小的負(fù)斜角,往往因次表面電場仍高于Em，器件仍不能達到理想的擊穿值，和正斜角造型相比，采用負(fù)斜角造型總是要損失一部分電壓的。  

1976年~1978年，坦普爾(Temple)和艾德勒(Adler) 【4】【5】對負(fù)斜角造型作了更深一步的研究,給出了歸一化的Ems/Em～θ2的關(guān)系曲線（見圖3），給出了著名的有效負(fù)斜角公式（見公式3），奠定了高壓晶閘管，特別是（4000~6500）伏高壓晶閘管真正實用化的基礎(chǔ)。  

有效負(fù)斜角θeff和實際的負(fù)斜角θ的關(guān)系式為： 

（3）式中：  

θeff：有效負(fù)斜角，θ：實際造型的負(fù)斜角；  

w：低濃度側(cè)，即晶閘管長基區(qū)的空間電荷區(qū)的展寬寬度，w =Xm；  

d ：高濃度側(cè)，即晶閘管短基區(qū)的空間電荷區(qū)的展寬寬度，d=Xm(p2)。  

當(dāng)d=w時，即線形結(jié)下得到的擊穿電壓為最高。當(dāng)d=0.2w時，θeff=θ， 

說明：公式（3）中的系數(shù)0.04就是w/d=5時的修正因子。

圖3中,VB是沒有負(fù)斜角影響的最大雪崩擊穿電壓,即Em對應(yīng)的雪崩電壓。V是與有效負(fù)斜角θeff對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)折電壓。  

由圖可見：如當(dāng)θeff=3.5?時，歸一化比值為0.9，即該有效負(fù)斜角θeff所決定的轉(zhuǎn)折電壓V對平行平面結(jié)轉(zhuǎn)折電壓VB的比值V/VB=0.9。采用θeff=3.5?，表明用10%的電壓損失去換取操作容易,導(dǎo)通面積保證,這才是真正行得通的好辦法。  

從公式（3）很容易導(dǎo)出其等效公式（4）的形式： 

從表2可以看到，若使真實的負(fù)斜角θ2不至于過小,在高濃度側(cè)，即短基區(qū)的空間電荷區(qū)寬度Xm(p2)必須足夠?qū)?，這顯然要求一次擴散的前沿濃度要很低很低。采用低濃度、長時間、深結(jié)深的鋁P型擴散可以實現(xiàn)這一要求。而決定晶閘管動態(tài)特性、觸發(fā)特性的短基區(qū)橫向電阻率則主要由鎵擴散來完成。假定 =3.5?,則依據(jù)公式(4)和表2,可以給出晶閘管的縱向結(jié)構(gòu)的參考設(shè)計來。  

以下以表3的形式給出公式(4)及表2在高壓晶閘管器件設(shè)計上的應(yīng)用 

由參考設(shè)計表3，可以得到下面兩個結(jié)論：  

（1），有了Xm(P2)，考慮到一定的有效短基區(qū)寬度（通常用Wep2 表示）以及二次擴散結(jié)深的要求，則可以確定一次擴散結(jié)深Xj1的寬度。表3就給出了Xj1的參考數(shù)據(jù)。  

（2），由Xm(P2)和θ2可以確定負(fù)斜角造型而形成的邊寬。如果正斜角θ1造型引起的邊寬為b1，令H為硅片厚度，則：  

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

同樣，負(fù)斜角θ2，在短基區(qū)空間電荷區(qū)寬度Xm(P2)下，造成的邊寬設(shè)為b2，則有：  

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

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

有了公式（6），當(dāng)θ2=2.5度, Xm(P2)=0.092時, b2<2.2。即使θ2=1.5度，Xm(P2)=0.115時,b2<4.4， 整個斜面造型的寬度也不超過5毫米。由此根據(jù)電壓的要求,確定了b2值,再按b2值噴砂成類臺面(即按θ2 的數(shù)據(jù)，僅在b2寬度上噴砂，參見文獻【1】的類臺面圖),則做出的高壓晶閘管不僅電壓滿足要求,且通態(tài) 參數(shù)得到了充分保證。由于類臺面結(jié)構(gòu)的采用，b2值還可以小些。 四，高壓晶閘管的研制和參數(shù)  除了和上面表面造型技術(shù)的研究改進相協(xié)調(diào),還要其它工藝的配合。諸如多次分步并始終和吸收共同進 

行的P型不對稱擴散工藝的改進;提高長基區(qū)少子壽命技術(shù)和輕度電子幅照降低少子壽命技術(shù)相結(jié)合的控制電流放大系數(shù)的技術(shù)；高溫下的高壓測試以及反向恢復(fù)電荷測試技術(shù)、可靠的歐姆接觸技術(shù)等等。 

以目前產(chǎn)量最大的K-PUK陶瓷管殼封裝的（4000~4500）V的KH型高壓晶閘管為例，給出其主要電熱參數(shù)的測試結(jié)果：

五，結(jié)語  按上述研究改進工藝，成功地生產(chǎn)了市場急需的各種高壓晶閘管，量產(chǎn)化的高壓晶閘管器件電熱參數(shù) 

均達到或接近了國內(nèi)外的先進水平。  

研究改進工作得到了公司領(lǐng)導(dǎo)夏吉夫的鼎立支持和幫助，馮懷樹、李道本等參加了實驗研究,特致謝。 

參考文獻  【1】，孟慶宗 陸劍秋等:φ100特大功率晶閘管的研制 第六屆電力電子學(xué)年會論文集（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】，陳泉誠：高溫勵磁整流管的管芯造型電力電子技術(shù) [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，遼寧錦州人。宜昌市晶石電力電子有限公司副總經(jīng)理，工程師，1972年出生，大學(xué)本科，研究方向：電力半導(dǎo)體器件  

聯(lián)系電話和E-mail： 

潘  峰：13704963488 

韓  娜： hanna1973@163.com 潘福泉：13997712236 panfuquan232@sina.com 載于：  

1）中國電力電子學(xué)會第11屆學(xué)術(shù)年會論文集 2008 11 15中國 杭州 P179 

2）電力電子技術(shù) 2008 12 P57