大电流GTO的设计方案

GTO与普通晶闸管的不同在于，门极具有自关断能力，这除了与分立的门-阴极结构有关外，还与GTO导通时阴极n₂p₂n₁晶体管处于临界饱和状态有关。所以，GTO的设计关键在于J₃结次表面掺杂浓度的控制和门-阴极图形的设计。但是，GTO关断时会产生较大的拖尾电流，并且耐压越高，拖尾电流越大。对于高压应用的GTO，其关断损耗将成为限制其工作频率的一个主要因素。通过阴极图形的精细化及适当的少子寿命控制或采用短路阳极结构，均可提高GTO的工作频率。

1.纵向结构设计

GTO纵向结构设计的关键是通过对J₃结次表面掺杂浓度和p₂基区深度的控制，严格控制α₁+α₂→1.05的临界导通条件，使α₂约为0.8左右，以保证导通时n₂p₂n₁晶体管处于临界饱和状态，关断时又能及时退出饱和。p₂基区的薄层电阻典型值为100～250Ω/□，对应的J₃结次表面掺杂浓度为（3～5）×10¹⁷cm^-3时，J₃结击穿电压在15～25V之间^[2，39]。在图3-76所示的GTO门-阴极击穿特性测试曲线中，J₃结的击穿电压为22V。

图3-76 GTO门阴极击穿特性测试曲线

对于大电流GTO，由于管芯尺寸较大，设计关键是均匀性的控制，可从以下几个方面考虑：

1）采用FS型耐压结构，在获得高耐压同时，可降低通态压降。

2）采用短路阳极或浅结扩散法制作阳极，限制阳极p₁n₁p₂晶体管的注入效率，以减小α₁，从而改善GTO通态电压和尾部电流的折衷关系。

3）采用局部寿命控制技术，控制硅片轴向和径向的少子寿命，使器件内局部的载流子寿命最佳化。

4）改善工艺均匀性，保证各单元参数一致性，提高关断能力及其可靠性。

5）采用全压接技术，将硅芯片、铝-硅合金片及钼片等通过非合金化压接形成电接触。避免传统焊接工艺中因材料的热膨胀系数不同而引起的热机械应力，使多阴极结构的压力不均匀，导致电流分布偏差而使关断能力下降。采用全压接技术使阴极表面的压力均匀、有效面积增大，从而降低了热阻。由于压接分布的改善，使关断能力提高，同时也提高了机械强度和浪涌电流容量。

2.门-阴极结构设计

GTO横向结构主要是门-阴极图形，设计关键是要解决开关期间电流的均匀性问题。因为在开关的瞬态过程中，电流集中会引发局部温升，出现热斑，导致二次击穿发生。为了保证GTO开关过程中电流的均匀性，要求每个单元都要有几乎相同的电流-电压特性^[5]，相同的掺杂浓度和载流子寿命，使所有单元都能同时开通和关断，且通过的电流尽可能地相等。采用分立的门-阴极图形，不仅能保证GTO在开关过程中不会发生电流集中，而且会增加开通时的di/dt耐量。(www.xing528.com)

（1）门-阴极图形设计 GTO通常采用图3-77a所示的门-阴极图形^[13]，可见门极位于芯片中央，类似于普通晶闸管，分立的阴极指条状按同心环均匀地排列在芯片表面的中心门极周围。对于小电流GTO，由于阴极单元数目较少，通常采用这种中心门极结构。对于大电流的GTO，由于阴极单元数目较多，通常采用图3-77b所示的环形门极结构^[69]，其门极位于多环的中央位置，在环形门极的内外阴极条均按照同心环的形式排列。这样布局可以保证所有阴极指条距环形门极接触的距离相差最小，不仅能有效地抽取载流子，而且有利于减小门极的分布电感和门极金属化层的电阻。

图3-77 GTO的门-阴极图形

（2）阴极指条设计 GTO阴极指条的设计要考虑的门-阴极特性及关断特性。阴极通常采用图3-78所示的指条状，沿指条长度方向会形成柱面结，但在四角处会形成球面结，导致J₃结击穿电压下降。因此，为了避免矩形指条在拐角处形成的球面结，通常将指条的四周做成圆弧状（见图3-78b），使得拐角处也呈准柱面结，以保证J₃结有较高击穿电压^[13]。

图3-78 GTO的阴极指条图形

阴极指条的尺寸和阴极条数与最大可关断电流I_TGQM密切相关，并且阴极指条的宽度和长度也与存储时间t_s有关。为了提高I_TGQM、开关速度及抗二次击穿的能力，需要对阴极指条的宽度w和长度l加以限制。I_TGQM与w和阴极指条数的关系（l为3.5mm）如图3-79所示^[14]。I_TGQM越大，阴极指条数就越多，同时w也越窄。比如，对I_TGQM为2kA的GTO，阴极指条的宽度最好取在（240～360）μm范围内。指条长l可根据通态电流和I_TGQM所允许的电流密度J来控制，一般取在2.6mm～4mm。在6kV/6kA的GTO中，为了获得较低的通态压降，需要较高的少子寿命。这会导致存储时间t_s及其分散性增大。为此，可将阴极指条宽度w减小到100μm，同时采用质子辐照在J₁结的附近形成适当的少子寿命分布梯度。

图3-79 I_TGQN与w和阴极指条数n关系

（3）门-阴极尺寸设计 可根据最大可关断电流I_TGQM、门极触发电流I_GT和触发电压U_GT等指标来设计门-阴极尺寸。I_GT和U_GT及I_TGQM均与p₂基区厚度和表面薄层电阻有关。设计时，在满足阴极n₂p₂n₁晶体管电流放大系数α₂和J₃结击穿电压U_BR（J3）的情况下，先确定p₂基区厚度和表面薄层电阻；再根据门极特性指标的要求来调整中心门极或环形门极的尺寸；最后根据额定电流指标来确定阴极单元尺寸和数目。

（4）版图布局 假设每个阴极单元通过的最大可关断电流一定，则根据最大可关断电流值可确定最小阴极单元数；再根据阴极单元数目和间距，确定阴极单元分布所需的环数和面积。根据阴极单元的环数确定采用环形门极还是中心门极，并保证所有的阴极单元尽可能均匀地分布在整个阴极面上；最后根据结终端尺寸和阴极单元的分布来确定最终的硅片尺寸。

（5）大容量GTO的设计 设计大容量GTO的门-阴极结构图形时，采用大直径硅圆形芯片，同时缩小阴极指条尺寸，使门-阴极图形精细化，并在多个环之间设置环形门极。在保证GTO开关过程中电流均匀分布的前提下，尽可能地增加GTO的阴极有效面积，把几千个阴极单元并联在一起，以提高电流容量。