正向阻断特性的优化探究

正向阻断状态是在栅极负偏压的情况下，耗尽层扩展至栅极P^＋层和N^-基极层内，而沟道夹断。向栅极P^＋层和阴极N^＋层注入栅极电流，使耗尽层消失，就从沟道夹断状态脱离出来。与正向导通相反，SITH的阻断态是以阻断高电压为特征的，只有微小的泄漏电流流过。当U_G＜0时，SITH进入正向阻断状态。SITH的关断机理与SCR是不同的，SCR的关断主要有两种方式：一是阳极电压反向或过零，二是流过阳极、阴极间的电流小于维持电流I_H。这造成了SCR器件的关断困难。相对而言，SITH的关断则显得容易得多，它本身就是栅极可关断器件，通过栅极电压和阳极电压所建立的在栅极附近的势垒来控制电流的通与断。可以用以下的电场模型进行说明（见图3-144，图中U₁＜U₂）。在SITH的沟道中，存在两种方向相反的电场（E_F和E_R），E_F是阳极加正向电压形成的；E_R是一部分来自阴极区高低结N^＋-N^-的自建场和栅沟PN结自建场的纵向分量，另一部分来自栅极负栅压的纵向场。它们在沟道中的叠加是势垒建立的本质原因。E_F的方向由阳极指向沟道反向，E_R的方向由阴极指向沟道方向，这样，在沟道某一处，E_F和E_R相互抵消，这点就是势垒的极小点，通常也称为“鞍点”（Saddle Point）。当U_A增加时（U₁＜U₂），鞍点会向阴极端移动，即正向电场E_F增大，反向电场E_R减小，导致器件注入电流的增大。与此相对应，如果增大负栅压U_G，反向电场E_R会增加，势垒升高，从而阻断电流。这就是上面所说的正向阻断原理。

图3-144 SITH的电场模型

但是器件阻断需要多大的负栅极电压呢？或者说SITH的阻断特性与什么有关呢？研究表明：它与电压增益G、阳极电压U_A和栅-阴极结所能承受的最大反偏压BU_GK有关。具体说来就是G越大，U_A越高，BU_GK越高，阻断所需的负栅压就越高。

当所加的负栅压一定时，逐渐加大SITH的栅极电压，也会出现负阻现象。研究表明，阻断态下发生负阻转折的电压和这时的阳极电流有如下关系：(www.xing528.com)

式中，U_Ar为阻断态下发生负阻转折的电压；U_T为热电动势；μ为电压放大系数；η为器件的栅效率；N_S为阴极区掺杂浓度；N_D为漂移区掺杂浓度；W为漂移区宽度；Wsad为源区到本征栅的垂直距离；A_eff为沟道有效电流截面积；τ_p为空穴寿命；α₁＝μ_N／（2μ_N＋μ_P），α₂＝（2μ_N＋μ_P）／μ_P。

增加轻掺杂区的电阻率和厚度、减少沟道尺寸和采取合理的终端结构都能有效地提高阻断电压，改善器件的性能。