SITH静电感应晶闸管通态特性分析

SITH静电感应晶闸管通态特性分析

张萌

（中国有色工业第八冶金建设公司设计施工研究院737100）

摘要：静电感应晶闸管（StaticInductionThyristors）简称SITH，是20世纪70年代出现的一种新型半导体电力器件。静电感应晶闸管（SITH）是一种依靠静电感应机制工作的功率半导体器件，即依靠栅偏压和阳（漏）偏压的静电感应作用控制沟道势垒高度从而实现器件的开通和关断。相对于其它种类的功率半导体器件（如SCR、GTO、IGBT、VDMOS等），SITH最明显的特点是具有明确的阻断态和导通态，具有通态压降低（1.0~3.5V）开关速度快（0.5~1.5MHz）电流密度高（800A/cm2）功率处理能力强（10~15kVA）转换效率高（>90%）等一系列优点，兼顾了速度和功率两方面的要求，更适合于作为大功率开关器件使用。这对传统的电力系统的效能提升、模式改造、以及民用节能具有重要的技术、经济意义。

关键词：SITH；通态特性；电学特性

前言：本文主要研究了静电感应晶闸管（SITH）的器件结构、原理、参数及各种特性，并利用SGFramework和Origin软件重点模拟分析了静电感应晶闸管（SITH）的电学特性以及通态特性，给出模拟结果，并且和理论结果进行比较，阐述其作用机理。针对SITH的导通态，提出并建立了类PIN作用模型，认为导通态的SITH其实质是一个由p+阳极－n-漂移区－n+阴极构成的一个PIN二极管，成功地解释了导通态低压大电流的特征。其次还介绍了半导体器件模拟理论得相关内容。

一静电感应晶闸管（SITH）简介

静电感应晶闸管（StaticInductionThyristor）简称SITH。它属于双极型开关器件，自1972年开始研制并生产，发展至今已初步趋于成熟，有些已经商品化。与GTO相比，SITH有许多优点，比如通态电阻小，通态压降低，开关速度快，损耗小，di/dt及du/dt耐量高等，现有产品容量已达1000A/2500V、2200A/450V、400A/4500V，工作频率可达100kHz以上。它在直流调速系统、高频加热电源和开关电源等领域已发挥着重要作用，但制造工艺复杂、成本高是阻碍其发展的重要因素。

图1.1SITH器件的符号和采用几种标准封装的SITH器件

二静电感应晶闸管器件特性

（1）耐压高

正常工艺生产耐压1200～1800V的管子最为成熟，如果将耐压指标降到600～800V，则器件的导通压降可减小，或者关断延时可减小。而且耐压与温度为正比关系，即耐压随温度增高而增高。这些特点，无疑对应用的可靠性大为有利。SITH器件A-K端的反向电压，可以做到600V左右，这点与可控硅相同。

（2）过流能力强

器件在时间为10ms的正弦半波电流冲击下可承受7～10倍额定值，与普通二极管相同。有的器件在试验中金属引腿被烧断了，而器件还安然无损。这种能力主要来源于它的导通特性是一个二极管特性，虽有一定的起始电压，在小电流时功耗比其它种类器件如VDMOS等要大，但是随着电流的增长，压降近于恒定，功耗成一次方增长，而VDMOS成平方增长。到了大电流，同电压等级，同额定电流器件比较，SITH管耗就会小于VDMOS。另外SITH器件没有二次击穿问题，导通后没有饱和深度问题，性能稳定，抗干扰能力强。而VDMOS、IGBT、三极管等，在导通时，一旦栅极电压或电流有所波动，饱和深度不够，立即引起管耗剧增。

（3）SITH的管耗定义是在保证管壳25℃时所能通过的最大电流

几乎电力电子器件都是这样定义的。在实用中还需要折算散热条件。当然，SITH器件由于有2V以内的导通压降，故适合于200V以上电压适用，低压应用不如VDMOS优越。但是200～400V电压正是工频电网的范围，也是电力电子应用最广的范围。

（4）SITH器件开关速度比VDMOS低，但比可控硅快得多

在0.5μs以内开关，可用于50kHz左右的工作频率。其实，一种电力器件能用到多高频率直接与驱动电路有关，还与工作方式、指标要求等各种因素有关，往往综合性能好的电路设计可以充许器件工作在较高的频率。因此总的驱动功率并不大，这与VDMOS相似，而比三极管驱动功率小得多。同时，也造成了SITH器件可靠性高，特别是抗意外扰动能力强的特点。

三SITH的通态特性分析

3.1SITH正向导通态

SITH在工作时，通过沟道中的势垒高低来控制器件的工作状态，在势垒较高时，器件处于阻断态，在势垒很低时，器件处于通态。势垒从高向低转变，器件将从阻断态转向通态；势垒从低向高转变，器件将从通态转向阻断态。而沟道势垒的高低可以通过两种方法来实现：一是通过改变负的栅偏压；二是通过改变阳极偏压。这两种方法改变沟道势垒的高度的原理是相同的，都是静电感应原理；但是这两种方法是通过不同的方式来实现的，更确切的讲，改变的主要的物理量是有区别的：前者是直接通过改变电势；而后者是改变沟道区内的载流子浓度来实现的。为了理解这个问题，首先要明确在器件工作时，器件沟道区的载流子在不同偏置状态时的分布和运动。空穴从阳极注入后，扩散和漂移至沟道区边界，被电场扫向鞍点，并被从鞍点到阴极被指向鞍点的电场阻拦，同时注入到沟道的电子被指向栅体的电场扫向栅体。电子从阴极区扩散至鞍点，被指向鞍点的电场扫向漂移区，而指向栅体的电场则阻止了电子向栅体运动。

3.2SITH的特性曲线

（a）SITH的I-V特性曲线（b）VDS为6.3V～10V时的I-V特性曲线

图3.1SITH电流-电压关系

图3.1给出了SITH电流－电压特性的模拟结果，从图中可以看出，在阻断态，有很高的阻断态电压，低的电流。在不同的栅压下，阻断电压变化很大，随着VGS的升高，阻断电压升高。在栅压增加相同的量时，增加的阻断电压随着VGS的越大增加越大，这并不是简单的线性关系。在转折点，电流的大小几乎相等，但随着栅压的升高，转折电流略有增大。转折电流的大小反映了阳极注入的空穴的浓度的多少，在较大的栅偏压时，电流略有增加，也就是在大电流时，从阳极注入的空穴数更多，被扫入到沟道区的电子数也更多，栅的空间电荷区的空穴数也提高，栅的偏压更多地降落在空间电荷区，削弱了栅偏压对沟道势垒的影响，一致失去了作用，导致器件向通态转变。在通态，电流随着阳极和阴极的电压的增加很快，几乎陡直上升，而在器件上的压降较小，这是一种比较理想的导通状态。

3.3SITH通态分析

3.3.1通态的电势分布

在器件导通时，漂移区和沟道区存在着严重的电导调制效应。在漂移区，由于载流子的浓度很高，不能承受大的电压。在沟道区，由于发生电导调制，净的空间电荷很低，几乎接近于零，不存在由净电荷建立起的电场，同时，由于发生电导调制效应，载流子的浓度很高，沟道电阻低，在沟道电阻上不可能有较大的压降，故在通态时，从沟道中线来看，器件不能承受较大的电压压降。这就导致，在通态器件不可能承受较高的压降。

从沟道中线来看，沟道区和漂移区都发生了强烈的电导调制，这时相当于两个电阻的串连。在漂移区的电压降为欧姆压降：

沟道区存在大的底空穴，使得栅和沟道间的空间电荷区强烈收缩，以至在沟道区脱离接触，在沟道区形成导电沟道。此时沟道区不能再承受高压，因此，在通态，器件的压降会很小。此时沟道中线相当于漂移区的电阻和沟道区的电阻的串连。这两个电阻决定了器件在通态时的通态压降。

3.3.2阳极注入效率的影响

在上面的分析中，认为阳极注入效率为1。在大注入时，其注入效率小于1，在前面的分析中，给出了在大注入时阳极电流成分分析，对此，做进一步讨论，在大注入时，电子电流和空穴电流的关系为：

从上式可以看出，随着电流的增大，电子电流所占的比率越来越大，这表明从阴极注入的电子数并没有完全被复合掉，有很大的一部分没有被复合掉。对共射极放大倍数来说，它会导致阴极电流上升，使得共射极放大倍数减小。

从另一个角度讲，SITH在通态时，希望功耗越小越好。阴极的电子逃逸意味着被复合的电子数占的比率减小。而电子空穴对的复合会产生复合能，这是器件功耗的一个重要来源。所以在通态时希望逃逸的电子数增加。

3.3.3阴极电流分析及影响

在通态时，由于栅对沟道势垒的影响消失，使得沟道空穴向阴极注入。这导致阴极电流为电子电流和空穴电流。这使得阴极电流进一步增大，造成被栅极收集的空穴减少，这将导致了共射极放大倍数的减小。我们可以由图3.5观察导通态时的空穴的情况。

图3.2Vg为-0.7v，VDS为10V时，p的图形

3.3.5漂移区电场的影响

在通态时，由于在器件内承受高压的沟道势垒不存在，部分高压降落在漂移区，使得电子加速向阳极运动，而空穴加速向栅极和沟道区运动。在漂移区内存在这较大的电压压降，使得漂移区的电场加速了载流子的运动，相当于减小了载流子在漂移区的运动时间，也就导致其复合几率减小，也就是使得复合率减小，相当于增大了载流子的生存时间，导致双极扩散长度增加，这将导致共射极放大倍数增加。从电势分布可以看到，电势在漂移区均匀下降，这表明在漂移区内不存在净电荷。这是在漂移区内发生严重的电导调制所致。

图3.3Vg为-0.5v，VDS为10V时，v的图形，电势在漂移区均匀下降

结术语：

本论文利用数值分析方法，在器件物理的基础上，对SITH的工作机理进行了研究，讨论了器件内的载流子运动和分布以及电势的分布。给出了SITH在导通态的工作模型。SITH通过改变栅偏电压的大小和正负，调节导电沟道中空间电荷区的宽度，从而控制了导电沟道的开通与夹断，实现SITH的开关作用。SITH多为常开型，门偏压为0时，处于开通状态；当给门极加反向偏压时，门极耗尽层展宽，在沟道中形成阻挡载流子的势垒，导电沟道被夹断，SITH处于阻断态；去掉门反偏压，SITH迅速由阻断态转为导通态。由此可见，SITH属场控器件，针对SITH的导通态，认为导通态的SITH其实质是一个由p+阳极－n-漂移区－n+阴极构成的一个PIN二极管，成功地解释了导通态低压大电流的特征。

参考文献：

[1]何野魏同立《半导体器件的计算机模拟方法》科学出版社

[2]吉久利《计算微电子学》科学出版社

[3]雷啸霖《半导体输运的平衡方程方法》科学出版社

[4]DonaldA.Neamen赵毅强等译《半导体物理与器件》电子工业出版社