GTO的可靠性与失效分析

1.安全工作区

GTO的安全工作区（SOA）包括正偏安全工作区（FBSOA）和反偏安全工作区（RBSOA）。正偏安全工作区（FBSOA）与普通晶闸管的相似，在正向导通时受瞬时浪涌电流限制，在阻断时受转折电压限制。反偏安全工作区（RBSOA）是指在一定条件下，门极加反偏压使GTO能可靠关断的区域，如图3-88所示^[78]。其电流限制为阳极最大可关断电流I_TGQM，功耗限制为发生动态雪崩时产生的最高功率密度。所以，GTO的FBSOA较大，RB-SOA较小。

为了扩大GTO的RBSOA，需要从结构和工艺参数控制方面考虑，如采用窄而长的阴极条及短路阳极结构，提高I_TGQM，并降低关断功耗。此外，RB-SOA与门极驱动状态和电路运行参数也有关。当电路条件改变后，RBSOA也会改变，实际应用时必须加以考虑。

图3-88 GTO反偏安全工作区

2.关断能力

GTO的关断能力受三个因素的限制：最大可关断电流、动态雪崩及关断过程中的非均匀电流分布。

（1）最大可关断电流 由于GTO单元存在p基区横向电阻R_B，除了在开通期间有电流扩展问题外，对大尺寸的GTO还必须设定最大可关断电流。在关断期间，门极电流会在R_B上产生压降。当阳极电流较大时，R_B上产生压降会使远离门极接触部分的J₂结正偏，而靠近门极接触部分的J₂结反偏并已关断。

根据式（3-26b），可得出最大关断电流密度J_TGQM应为

J_TGQM≤4β_off（U_BR（J3）+0.7）/（R_S，PBw²） （3-53）

该电流密度本质上是GTO在无吸收关断条件下的关断能力，并非通常吸收条件下的限制。

（2）动态雪崩 GTO在关断拖尾期间，高电场强度会引发动态雪崩，并引起电流集中。由于各单元之间电流分布不均匀，同时在电流集中的局部区域因碰撞电离产生了大量载流子，使阳极电流突然增加，会导致GTO关断失效。

这可通过分析关断过程中的电场强度分布和载流子浓度分布来说明。如图3-89所示^[79]，在GTO的关断初期，随着阳极电压不断上升，J₂结的耗尽区逐渐形成，峰值电场强度不断增加，p₁n₁p₂晶体管进入放大模式。当阳极电压上升到峰值时，J₂结的峰值电场强度达到临界击穿电场强度E_cr，如图3-89b所示。此时，J₂结会发生雪崩，耗尽区将产生大量的雪崩载流子。在高电场强度的作用下，电子被扫入n₁中性区，空穴进入p₂基区，形成较高的雪崩电流。

当阳极电压很高，du_AK/dt为零时，动态雪崩处于维持模式。假设耗尽区中载流子以饱和速度v_s移动，则阳极电流密度J_A和阳极电压U_AK分别可表示为

J_A=qpv_s （3-54）

U_AK=E_mW_D/2=（ε_sE²_cr）/（2qp） （3-55）

式中，q为电子电荷；p为n₁基区耗尽层中的空穴浓度；v_s为空穴饱和漂移速度；E_m为峰值电场强度；W_D为耗尽层的扩展宽度；E_cr为引起雪崩击穿的临界电场强度。

图3-89 GTO关断过程不同时刻的电场强度分布及载流子浓度分布示意图(www.xing528.com)

将式（3-54）代入式（3-55），可得

U_AK=（ε_sv_sE²_cr）/（2J_A） （3-56）

发生动态雪崩时，由于n₁基区耗尽层中存在空穴，并且其电荷密度比断态无电流时更高，因此在相同的耗尽区宽度下，峰值电场强度也比无电流时的更高。此时器件的功率密度P_dy可表示为

P_dy=J_AU_AK=ε_sv_sE²_cr/2 （3-57）

硅器件发生动态雪崩时功率密度为200～300kW/cm²。当动态雪崩刚开始时，产生的载流子不足以形成大电流，就没有破坏性；但当动态雪崩处于维持模式时，产生的功率密度极高，很容易超出RBSOA，使GTO受损。尤其是在大尺寸的GTO中，动态雪崩会引起电流非均匀分布，出现电流集中，而导致GTO失效。

（3）关断过程非均匀的电流分布 在GTO关断过程中，由于尖峰电压和尾部电流的存在，使关断期间产生很大的瞬态功耗，但持续时间很短，一般在几微秒至几十微秒。因此，在所有并联单元都能同时均匀关断的理想情况下，关断损耗不会使整个pn结的温度发生很大变化。但是，由于GTO单元的参数分布不可能完全一致，如存储时间t_s（即p₂基区存储电荷的抽取时间）不同，使得各单元不可能同时关断，于是关断瞬态功耗可能会集中在个别关断较晚的单元上，即所谓“挤流现象”，从而形成局部过电流，产生局部过热点，引起GTO再导通^[80]。

在关断过程中，因两个单元的t_s不同（假设t_s1＜t_s2），会引起以下正反馈效应：

可见，正反馈效应会增大t_s的差异，使t_s1＜＜t_s2。如果较快单元多于较慢单元时，则较慢单元中的电流密度会变得非常高，其中能耗会产生很高的温度，诱发二次击穿，导致GTO永久性失效。在高电流密度下，较慢单元中的pnp晶体管和npn晶体管的共基极电流放大系数均会增大，导致β_off会更低，需要更大的门极电流来关断。所以，在GTO设计和制作过程中，要尽可能减小t_s的差异，从而获得均匀的关断。

3.失效机理

GTO的失效原因可从以下几个方面来考虑：一是使用不当引起的失效，如工作电压或电流超出SOA，或结温超过最高结温，或者所用的门极触发脉冲或关断脉冲不合适而引起性能的退化；二是开关过程中电流非均匀分布导致局部过热，或者关断过程中阳极电压上升时，高电场产生的动态雪崩而诱发二次击穿；三是制作过程中因材料或工艺参数的偏差引起的电流集中而导致功耗不均匀分布；四是冷却不足，导致过热引起的GTO失效。

（1）使用不当 由于实际使用中，电路出现瞬间过电压、过电流，造成GTO关断失败而引起损坏。根据关断过程中损坏机理不同，有以下两种情况：一是GTO不具有关断此电流的能力，或门极驱动条件不满足关断此电流的要求；二是GTO关断后，由于过高的du/dt或瞬态过电压等，使关断后的GTO被再次触发导通。

若门极触发电流脉冲幅度和上升率过低，就不能保证所有单元同时开通。于是，在随后的电流增长过程中，开通单元会过载，导致局部过热，使器件遭到损坏；在导通期间，如果通态电流突然降低，会导致一些单元关断。因此，触发GTO时，首先要保证门极触发脉冲幅度和上升率，使所有单元同时被门极触发开通。并且在GTO完全导通后，外电路仍需提供一个较小的门极后沿电流，以维持所有单元的持续导通。

若门极关断负电流脉冲幅度过低，就不能满足最大关断增益β_off要求。若负电流脉冲的上升率过低，会导致关断时间变长，发生局部不稳定的可能性会增大，所以在设计GTO关断电路时，应按手册中的限制选取门极关断负脉冲值。对大功率GTO，还需采用du/dt吸收电路来抑制瞬态过电压及其上升率。

（2）二次击穿 在GTO开通和关断的瞬态过程中，由于各单元的存储时间t_s有差异，开通最早或关断最慢的单元中的局部电流密度很高。非均匀的电流密度分布导致非均匀的功耗分布，会引发局部温升过高。所以，在开通和关断之间（反之亦然），需要一个时间间隔（20～150μs），以获得更均匀的温度分布，防止出现热斑。在GTO的关断过程中，阳极电压会在导电通道收缩完之前就开始上升，使得关断损耗随阳极电压及其上升率的增大而增加，会发生局部过热。此外，类似功率晶体管在高电流密度下处于准饱和区的情况，GTO内部电场强度会发生再分布，并诱发雪崩注入。这两种情况均会导致二次击穿。若存储时间的差异与局部动态雪崩同时作用，情况会变得更糟。所以，关断GTO时需强制性附加吸收电路，将阳极电压上升率限制在一个安全值以内。

（3）自身结构与参数偏差 由于GTO采用特殊的压接式结构，决定了其电流分布必然存在非均匀性。尽管GTO采用分立的门-阴极单元，并按同心环均匀地分布在阴极表面，可以保证导通状态下有均匀的电流分布，但在开通或关断时，电流信号通过中心门极施加，由于每个阴极单元距中心门极的位置不同，将产生不同的分布电感，且远离中心门极的单元产生较大的分布电感，势必引起开关过程中电流分布的不均匀性。因此，对大面积的GTO，采用环形门极可减小分布电感引起的电流不均匀性。

在GTO的制造过程中，如果材料或工艺参数（如掺杂浓度、载流子寿命等）存在偏差，会加剧电流的非均匀分布。如果某些单元的少子寿命较高，则其承载的通态电流密度就较大。在关断结束时，所有阳极电流都可能集中在载流子寿命最长的几个单元处。于是局部区域内会产生极大功耗，导致局部出现热斑。因此，在实际制作工艺中，必须通过在线监测来控制大面积GTO的均匀性。

（4）过热 由于晶体管的电流放大系数α₁和α₂随温度的升高而增大，在高温下将使GTO的转折电压U_BO下降，漏电流也显著增大，导致功耗增加，又加剧了结温升高。在开通过程中，因GTO单元的分散性，α₁和α₂较大的单元先由断态转为通态，于是导通的单元将承受过大的电流密度。当电流密度超过单元的承受能力时，将会使GTO损坏。在关断瞬间，当pn结产生的局部温度升高时，漏电流显著增大，导致功耗进一步增加，并导致局部过热点温度升高，从而诱发了GTO再次导通。可见，当温度超过所允许的最高结温时，必然会造成GTO关断失败。因此，在实际应用中，必须严格控制温升，使GTO工作在所允许的最高结温以下。选用GTO时，必须考虑开关时的瞬态功耗，并留有足够的裕量。