设计方法概述 - 让你轻松掌握的实践指南

晶闸管的设计要根据器件的实际应用场合及特性指标要求，选取合适的纵、横向结构参数。根据电压指标要求，普通晶闸管或GTO通常选择耐压结构为NPT型、PT型或FS型耐压结构，GCT通常选择FS型耐压结构。普通晶闸管通常根据di/dt和du/dt等要求来确定门阴极结构，并选择放大门极和阴极短路点图形，GTO或GCT通常选择分立的门阴极结构。当晶闸管的纵、横向结构确定后，需要选择原始的衬底材料，确定工艺方案，并在工艺过程中，在线监测工艺条件和参数，确保设计参数的实现。下面以普通晶闸管为例，介绍晶闸管的设计与实现过程。

1.衬底材料选择

原始衬底材料的选择包括硅片晶向、电阻率、厚度及直径的确定。

（1）材料类型 晶闸管属于大功率双极型器件，所以原始硅片应采用＜111＞晶向的n型高阻区熔单晶。

（2）硅片电阻率 根据实际应用的电压要求，先选择耐压结构，然后根据电压指标（U_DSM）值来选取衬底掺杂浓度或电阻率。

（3）硅片直径 根据电流容量指标和工艺水平所决定的电流密度J来确定芯片面积，根据耐压结构确定终端尺寸，从而确定硅片直径。

2.结构参数设计

根据电压指标（U_DSM）的要求，初步确定各区的参数，然后通过特性的仿真，验证阻断不重复峰值电压U_DSM和通态平均电压U_T（AV）是否同时满足设计指标要求。

（1）初始参数确定 先根据电压指标值和耐压结构，利用耐压公式（3-6）或式（3-9）计算不同掺杂浓度所对应的n基区厚度，可得到多组能满足耐压要求的掺杂浓度和厚度的匹配值，选取其中厚度相对较薄、掺杂浓度较低的一组作为设计值，这样既可以保证耐压，也有利于获得较低的通态压降。因为通态压降与导通时器件中的非平衡载流子浓度和基区厚度有关，而与衬底掺杂浓度无关。

（2）特性的仿真与优化 根据初步确定的基本结构参数，在仿真软件中建立结构模型，并设定相应的物理模型，然后通过求解泊松方程和电流连续性方程，即可获得阻断特性和导通特性仿真曲线。在此基础上，建立器件仿真的测试电路，可以仿真开关特性，并通过参数调整可以优化器件的各项特性。经优化设计确定好结构参数后，根据所选耐压结构，就可确定工艺方案。

3.工艺方案确定

（1）首先确定工艺流程 非穿通（NPT）型结构的工艺比较简单，穿通（PT）型结构的工艺较为复杂，如3.1.1节所述需要制作缓冲层。

（2）确定工艺方法 由于p基区较厚，通常采用Al或Ga真空扩散或涂层扩散，其中Al扩散的表面掺杂浓度较低，Ga扩散的表面掺杂浓度较高。阴极区可采用三氯氧磷液态源的两步扩散来实现。由于p阳极区和n阴极区都要做欧姆接触，所以阳极表面还要进行一次硼扩散，以提高其表面掺杂浓度。

（3）工艺条件的选择 根据确定的工艺流程和工艺方法，设计工艺条件，由于晶闸管各区较厚，在实现时都要经历较长时间的高温过程。确定工艺条件时，一定要注意前、后道工序之间的相互影响。通过工艺仿真，可以对工艺条件进行预测，得到给定工艺条件下的掺杂浓度分布。

（4）特性验证 根据特性仿真确定好的结构参数，进行工艺仿真，得到满足结构参数要求的掺杂浓度分布；再利用掺杂浓度分布通过特性仿真，验证特性参数是否满足设计要求（称之为逆向设计）。对于有实际工艺经验的设计者，可先进行工艺仿真，后进行特性仿真，即在一定工艺条件下，通过工艺仿真得到掺杂浓度分布，然后利用掺杂浓度分布直接进行特性仿真，从而获得满足掺杂浓度分布要求的特性（称之为正向设计）。

（5）参数修正 在工艺实施过程中，如出现异常情况时，如某个区域的表面掺杂浓度过低或过高，就需要采用补扩或腐蚀的办法进行补救，也可以充分利用氧化工艺进行修正。因为在二氧化硅与硅界面存在一定的杂质分凝，会导致表面掺杂浓度发生变化。

4.参数测试

（1）单步工艺在线测试 在管芯制作过程中，需要对每步工艺参数进行在线监测，如扩散的结深、表面掺杂浓度以及pn结的电压等。(www.xing528.com)

（2）中间工艺过程监测 在晶闸管基本结构形成后，需要对芯片的电压进行检测，及时筛选出不合格的芯片。然后，对合格芯片进行烧结和蒸铝等电极工艺，从而形成管芯。在结终端保护之前，也需要检查电极的欧姆接触情况。磨角腐蚀后，需检测阻断电压，对不符合要求的管芯可以进行重新磨角保护。

（3）封装前检测 管芯制作完成后，经检测合格，方可进行封装。对特性参数不符合指标要求的管芯，找出原因所在，并在设计方案中加以修正。

（4）终测 封装好并加上散热器的晶闸管出厂前需要进行终测，包括各种电压、电流参数测试及可靠性测试。为了防止晶闸管在使用初期出现失效，还需经过一定时间的高温存放加以筛选。并将可靠性测试结果反馈给设计者，以便修正设计方案。

5.设计方法

晶闸管的传统设计方法是根据一系列解析计算来协调器件的各项特性，最终确定晶闸管的结构参数，并根据实验结果进行进一步调整。现有的设计方法是借助于计算机进行辅助设计的，大大避免了盲目的工艺试验，可显著降低工艺成本。

（1）选择衬底 由于晶闸管的功率容量较大，所用硅片的面积较大、电阻率及其均匀性很高，故通常采用＜111＞晶向的区熔中照单晶（NTD）作为衬底材料。晶闸管的耐压设计目标是以断态不重复峰值电压U_DSM为准。

（2）耐压结构 设计当要求正、反向都有耐压时，必须选择NPT型结构。如果对反向耐压没有要求，则可选择PT型或FS型结构。当正向耐压要求非常高时，可考虑选择FS型结构，以兼顾通态压降和开关速度，否则选择PT型结构。

对于NPT型器件，n基区的设计是关键。选择适当的电阻率，在保证耐压的前提下，尽可能减小n基区厚度W_n，以降低通态压降。为了使正向时J₂结不穿通到J₁结、反向时J₁结不穿通到J₂结，W_n等于最高电压U_DSM下n基区耗尽层扩展宽度W_dn加一个中性区宽度W_L余量，即W_n=W_dn+W_L。通常W_L限制在L_p和W_dn/3的范围内，即W_L=（L_p～W_dn/3）。为了使正向时J₂结不穿通到J₃结，p基区厚度W_p应大于最大工作电压下p基区的耗尽层扩展宽度W_dp，即W_p＞W_dp。

对于PT型器件，n缓冲区设计也很关键。既要保证J₂的耗尽层不穿通到J₁结，能承受一定的耐压；又要保证p₁n₁p₂晶体管注入的空穴数目不能太少，以免通态压降太大。对n缓冲区进行折中考虑，选取W_nb≥10μm，N_nb≈10¹⁷cm^-3。

对于FS型器件，nFS层的设计是关键。降低nFS区的掺杂浓度，使之对阳极注入的空穴没有阻碍作用，同时又要保证J₂的耗尽层不穿通到J₁结，能承受一定的耐压。通常选取nFS区的厚度和掺杂浓度满足：W_nf≥20μm，N_nf≤10¹⁶cm^-3。

晶闸管的n基区掺杂浓度和厚度与阻断电压的关系如图3-71所示^[11]。当n基区厚度一定时，随n基区掺杂浓度的增加，雪崩击穿型器件的阻断电压下降；而穿通击穿型器件的阻断电压上升。并且，当n基区掺杂浓度一定时，穿通击穿型器件的阻断电压随n基区厚度而增大。

如果PT型和NPT型器件的n基区掺杂浓度相同，在相同的阻断电压下，PT型器件的n基区厚度只需NPT型器件的47%。因PT型器件厚度较薄，故其n基区掺杂浓度可以比NPT型器件的稍低，以获得低通态压降和高阻断电压。

图3-71 n基区浓度和厚度与阻断电压关系

普通晶闸管与GTO的掺杂浓度分布如图3-72a所示。两者主要差别在于J₃结次表面掺杂浓度和p₂基区厚度不同。GTO的J₃结次表面掺杂浓度通常比普通晶闸管的高出约1个数量级，并且n₂区和p₂基区稍厚一些，以满足α₂及J₃结击穿电压要求。n⁺阴极发射区的设计除了要考虑通态与开关特性外，还需考虑阴极欧姆接触，所以n⁺阴极发射区掺杂浓度和厚度可选择的范围较小，其掺杂浓度通常在10¹⁹cm^-3数量级。GCT与GTO的掺杂浓度分布如图3-72b所示，两者主要差别在于J₁结次表面掺杂浓度和阳极区厚度不同。GTO采用普通阳极，掺杂浓度较高，且厚度较厚；而GCT采用透明阳极，掺杂浓度较低，且厚度较薄。

图3-72 普通晶闸管、GTO及GCT的掺杂分布比较