[实用新型]晶闸管分支满布N+放大门极

说明书

技术领域

本实用新型属于大功率半导体器件设计制造技术领域，是一种开通电流上升率极高的特大功率晶闸管分支满布N+放大门极。

背景技术

晶闸管的发展趋势是高电压、大电流化。目前用于中国特高压直流输电工程的晶闸管已达6300A/7500V或5500A/8500V，单只器件芯片直径达6英寸以上。如此功率水平的大直径晶闸管创造了世界纪录，其应用场合皆是重大强电控制领域。它们在开通瞬态必须承受高电流上升率、进入通态通过极大的正向电流。阻断恢复瞬态必须承受高电压上升率、进入断态阻断极高的正反向电压。众所周知，分立半导体器件面积越大全面积均匀导通越难、易于形成电流集中局部烧毁器件，严重降低了承受开通电流上升率的能力，也阻碍正向通流能力的发挥。另一方面，器件阻断电压等级越高承受开通电流上升率的能力越低。对高电压大电流晶闸管而言，任何设计缺陷或工艺瑕疵就极易使之在开通电流上升瞬态产生不可逆损坏导致系统故障造成重大损失。因此特高电压特大电流晶闸管开通过程能否承受极高的电流上升率(di/dt)并安全通过设计的特大电流峰值是安全应用的必要条件、是设计制造成功与否的重要判据。

从器件设计的角度提高高电压大直径晶闸管di/dt耐量的传统做法是设放大门极或称前置晶闸管。放大门极由围绕中心门极的环形部分和深入到阴极部分均分阴极面的多枝条部分组成。环形部分有N+掺杂形成放大门极或前置晶闸管的有效阴极。前置晶闸管有效阴极易于被中心门极触发电流触发导通形成较大的阴极电流。这个较大的阴极电流再由放大门极或前置晶闸管的枝条部分输送分配到各个区域对主晶闸管实施大范围大强度的触发。

传统放大门极或前置晶闸管一直未曾将N+区尽量延伸植入枝条部分，意味着其有效阴极N+区只限于围绕中心门极的环形部分，不够充分，导致其阴极电流即主晶闸管的触发电流强度及输送分配速度也不充分。在这样的情况下主晶闸管开通电流上升率di/dt耐量不可能充分体现，限制了晶闸管电流电压控制水平的提高。

实用新型内容

本实用新型为了克服传统大功率晶闸管开通电流上升率di/dt耐量不可能充分发挥的缺点而设计了一种晶闸管分枝满布N+放大门极。

本实用新型的技术解决方案是：晶闸管分支满布N+放大门极，从晶闸管阴极方向俯视按掺杂类型区域划分为中心P型门极区(1)、N+型环形放大门极区(2)、N+型枝条放大门极区(3)、P型放大门极区(4)、N+型主晶闸管有效阴极区(5)、分布在N+型主晶闸管有效阴极区内的P型短路点(6)及边缘P型台面区(7)，N+型环形放大门极区(2)和N+型枝条放大门极区(3)枝条内设有N+掺杂形成放大门极或前置晶闸管的有效阴极，使辅助晶闸管的有效阴极延枝条充分扩展，放大门极即辅助晶闸管的阴极N+区域由围绕中心P型门极区(1)的N+型环形放大门极区(2)和深入到阴极部分均分主晶闸管阴极区域的N+型枝条放大门极区(3)组成，边缘P型台面区(7)位于芯片的最外端,与N+型主晶闸管有效阴极区(5)相连接。

P型放大门极区(4)将N+型环形放大门极区(2)及N+型枝条放大门极区(3)共同构成的辅助晶闸管的有效阴极区与主晶闸管的有效阴极区(5)分隔，并使两者之间距离(10)始终保持0.3mm±0.01mm,这样一个尽可能小但足够电极分离的距离。

N+型枝条放大门极区(3)枝条数为6条。

N+型枝条放大门极区(3)枝条粗细可渐变，根部最粗处(8)为1.0mm±0.01mm，最细处(9)为0.3mm±0.01mm，并在主干末端分叉为Y字型，两根Y字型指条宽度为0.3mm±0.01mm,继续向主晶闸管阴极边缘延伸以使枝条占用面积最小而延伸长度即起始导通周界最大。

本实用新型的有益效果是扩展了辅助晶闸管的有效阴极，使之充满枝条深入并均匀分隔主晶闸管阴极区。将门极触发电流放大更充分、分配输送到主晶闸管阴极深处的速度更快，对主晶闸管的触发强度和速度增加而使主晶闸管开通电流上升率di/dt耐量得到显著提高。以目前功率最大的6英寸6300A 7500V特高压晶闸管为例，在结温90℃、门极触发及散热条件相同的情况下本实用新型晶闸管重复开通电流上升率提高20％以上。并且晶闸管管芯直径相同时电压等级越高重复开通电流上升率提高幅度越大，如6英寸5500A 8500V特高压晶闸重复开通电流上升率提高25％以上。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

具体实施方式