GTO特性的优化探讨

由于GTO是由很多个小的GTO单元构成的，每个小GTO单元的门极、阳极和阴极都是并联在一起的。对每一个单元，由于硅片材料和在工艺过程中不可避免的因素，使得GTO的各个小单元有微观上的差异，导致了其在相关的电参数上有所不同，这样就对其开通和关断产生了影响。

在开通的过程中，个别GTO单元由于延迟时间比较短，首先开通，这是由于在这些GTO单元中载流子的寿命比较长，较长的载流子寿命可以缩短其开通延迟时间。此时，阳极电流将主要从这些单元中流过，有可能造成局部电流密度过大而失效，这样就影响了GTO在开通过程中的di／dt耐量。实际上，在关断过程中也会发生类似的情况。某些GTO单元的载流子寿命比较长，它就会承受比较大的通态电流，同时门极存储时间会随着载流子的寿命增大而增大，所以在关断末期，器件中电流会重新分布，在这些门极存储时间长的GTO单元的远门极区域聚集，这些区域的电流密度过大，同样可以使器件失效。

针对这种情况，可以从器件本身和外电路采取相应的措施来改进。对于器件本身，采用结构均匀、缺陷少的硅片材料，要求工艺过程尽可能稳定，使得器件在结构上尽可能地相同，各个单元的载流子寿命和掺杂浓度尽可能一致，而且还要优化阴极区域和门极区域的版图设计。实际上，由于器件结构不可能完全相同，差异始终存在，对于大面积大电流的器件，结构单元的一致性就更难确保。对于不同通流能力的GTO，通常还会采用不同的门极和阴极版图结构，如图2-7所示。

图2-7 GTO门-阴极图形

这些改进同样有利于GTO的开通、关断特性的提高。同时，对电路也要作出相应的改进，如采用强触发、提高门极的电流脉冲幅值和上升沿的陡度，这样，可以缩短GTO单元阳极电流的延迟时间，不同GTO单元之间的延迟时间就会基本趋于一致，还可以提高初期的电流变化率的耐量，同时可以加强GTO阴极元的导电面积的扩展速度，有利于开通中的电流不均匀分布状况的改进。(www.xing528.com)

如果门极电流的幅值或者上升率太低，就不能使所有的单元都开通，这也会使得特性变差。通常，为了保证GTO的关断能力，GTO的α₁比较小。因此，在阳极电流很小时，可能只有部分GTO单元被完全开通。此时，如果撤去门极电流，会导致一些单元关断（通常是擎住电流比较大的单元）。这样，在接下来的电流增长过程中，开通的单元会过载，局部发热严重，门极关断能力遭到损害。为了避免这一个效应，GTO在处于通态的时间内，要用一个较小的外加门极电流去维持所有单元的开通状态。这个电流称为后沿电流。

为了达到好的关断特性，通常也会对α₁作一些相关的调整。对于α₁，通常采用阳极短路点来降低，这些短路结构可以有效地降低J₁结的注入效率。但是，这一结构将会使GTO的J₁结失去阻断能力。此外，阳极短路点的出现还使制造过程变得复杂，因为需要将短路点与阴极条对准。但是实际上，现今的GTO基本上都采取了阳极短路点结构。同时，加大N基区的厚度、降低载流子的寿命，也将有助于将α₁保持在较低的水平上。但是这样会对GTO的其他特性造成影响，如会使GTO的通态压降提高，使用中要注意均衡。而对于GTO的α₁、α₂的设计，通常保证其和在1.05附近（α₂一般在0.25左右，由这个计算得到的关断增益为5），这样可以使其处于临界饱和状态，保证关断特性。

还有一些结构比较特殊的GTO，也可以相对提高GTO特性，图2-8所示即为一种采用双门极结构的GTO。当需要关断时，给G₂加上相对于“阴”极为正的信号，这样，一方面可以减小阳极的发射效率，同时可以抽取N-区域的过剩载流子，在关断中，GTO内部存储的过剩载流子会大大减小。对于拖尾电流的主要来源的J₁结面附近的过剩载流子浓度将大大减小，这样，拖尾电流的幅度和持续的时间都大大减小。通过调节门极G₁和G₂的触发时间，可以将其关断损耗降到普通GTO的5％左右，通过这一措施，也可以提高GTO的工作频率。但是这种结构需要两个门极驱动电路，加大了电路的复杂性。

图2-8 双门极GTO