薄发射极改善RSD开通特性

1.薄发射极理论分析

RSD的预充过程可以等效为一个二极管电导调制的漂移模型。预充结束时大约75％的预充等离子体集中在P₁层中，在开通过程中必须保证P₁等离子层不被耗尽，因为它作为有效的电子源，在P^＋N二极管中起着阴极侧射极的作用。这种情况下的开通过程以准二极管模式进行。否则如果P₁层耗尽，集电结将会趋于阻断，器件上电压迅速上升，出现类似晶闸管的局部化开通现象。

在导通过程中，注入和抽取电流动态地改变P₁层中的电荷量，图4-24示出了这个过程。P₁层不被耗尽的开通条件可以表示为

由式（4-21）可以得出这样的结论，P₁层中的抽取电流J_P1，extr应尽量减小以保证P₁不被耗尽。

同时，当正向电流流过时，P^＋发射极向N基区注入空穴，表示为，它构成了N基区中的空穴电流。而N基区中的电子电流是，它们在不破坏体内电中性的条件下给N基区提供中间水平的注入，此过程也在图4-24中示出。因此，减小P^＋发射极的注入电流有利于减小P₁层中的抽取电流，而使器件的开通更加均匀。

图4-24 晶闸管单元中的导通电流分布

在RSD中引入薄发射极是为了减小导通过程中阳极的空穴注入，比起常规结构，P^＋薄发射极的宽度要小、掺杂浓度要低一些。

在P₁层不耗尽的条件下，RSD的导通过程可以等效为准二极管导通。在导通过程中，N基区和P基区都处于大注入状态，J₂结被淹没。因此，薄发射极RSD的晶闸管部分可以等效为一个不对称的PIN二极管模型。图4-25是模型的示意图，同时给出了大注入下载流子的分布。

因为P^＋发射极很薄，少数载流子的梯度很陡以至于通过J₁结的电流主要是电子的扩散电流。且由于朝J₃结方向电子电流增加更多，所以基区中的空穴电流可以忽略。于是基区中的电场表示为

式中，p为I区中的空穴浓度。

图4-25 不对称PIN二极管模型的结构示意图及大注入下的载流子分布

那么基区体压降可通过积分式（4-22）得到

式中，W_B为I区宽度；p₀和分别为I区中J₁结和J₃结处的空穴浓度。

因为P^＋发射极处于低注入水平，PN结定律的波尔兹曼关系成立，可以得到总的结压降如下

式中，n_I是本征载流子浓度。

根据式（4-23）和式（4-24），得到忽略了发射极体压降和接触压降的正向压降表达式为

如果可以求出I区载流子分布，则U_F′可求。前已述及，I区空穴电流予以忽略，则电子电流密度J_n就等于总电流密度J

由式（4-25）和式（4-22）以及电中性条件p＝n得

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通过积分式（4-26），加上边界条件，可以得到载流子分布。最终得到不对称PIN二极管模型在大注入水平下i区的载流子分布的表示式

其中Q表示P^＋发射区单位面积的掺杂量，D_n′是P^＋发射极中的电子扩散系数，a和p_c是与温度有关的常数。当T＝300K，求得a＝3.24×10¹⁸cm^-1·s^-1，p_c＝9.39×10¹⁶cm^-3。所以

式（4-27）为忽略了发射极体压降和接触压降时正向压降的表达式。事实上，在薄发射极结构中Q值被限制得较低，因此当P＋发射极足够宽，P^＋发射极体压降U_bE不能忽略。假设P^＋发射极的电子呈线形分布，考虑到其电流为电子的扩散电流、空穴和电子的漂移电流之和，容易计算出V_bE为

n_p1是P^＋发射极中J₁结处的电子浓度，n_p1＝JW_E／qD_n′。

假设电极接触为欧姆接触且接触压降忽略不计，则式（4-27）和式（4-28）相加便是PIN二极管模型的RSD正向压降的最后表达式

U_F＝U′_F＋UbE

图4-26 薄发射极RSD正向压降随Q变化的模拟曲线

2.计算结果与讨论

设置参数为J＝556A·cm^-2，D_n′＝35cm²s^-1，μ_n＝1350cm²V^-1·s^-1，μ_p＝500cm²·V^-1·s^-1。图4-26是在一定的发射区和基区宽度下薄发射极RSD正向压降随Q变化的模拟曲线，对图线的分析如下：

1）在一定的W_B、W_E下，U_F随Q的变化有极小值U_F∗。设U_F∗对应的Q值为Q∗，当Q≥Q∗时U_F随Q减小而减小，这是由于由前面结压降U_J和基区体压降U_bB的计算式知，Q的减小会使U_J减小而使U_bB增大，而阴极高掺杂的N^＋发射极对基区有较大注入，使得U_bB增大不多，总的趋势仍是使U_F下降；当Q≤Q∗时U_F随Q减小反而增大，这是由于Q的减小使得P＋发射极的体压降不能再忽略，U_bE增大而使U_F上升。对于W_E极薄的情况（如W_E＝1μm），当Q≤Q∗时，U_F不随Q变化而趋于一恒定的值，这将有利于改善器件的一致性。

2）在一定的W_B下，Q小到一定程度时，U_F随W_E的减小而减小，这是因为W_E的减小使得U_bE减小。当Q较大时U_bE对U_F的影响可忽略，U_F与W_E的大小无关，只随Q和W_B的增加而增加。

3）在一定的Q和W_E下，U_F随W_B的减小而减小，这是由于W_B的减小使U_bB减小所致。

总的来说，通过降低P^＋发射区的掺杂浓度可以减小RSD的正向压降，而当掺杂浓度变得很低时（如W_E＝5μm时Q≤1×10¹⁴cm^-2）则有必要减小P^＋发射区的宽度来保持低压降。需要说明的是，计算拟合的曲线表明在电流密度较小的情况下通过薄发射极减小RSD压降的效果是明显的，但随着电流密度的增大，基区体压降在RSD总压降中占的比重上升，此时RSD正向压降受发射区的影响则不大了。

3.薄发射极的工艺实现与评价

通过Al烧结的工艺来制作薄发射极。在阳极和阴极的N^＋发射区制备完毕后，在阳极面的N型Si上进行Al烧结。通过降温过程控制Al在Si中的平均分凝系数，使在降温过程中析出的再结晶层形成P^＋薄发射极，而其余的Al作为金属电极。

图4-27a表示了RSD样品芯片解剖后、Al烧结工艺形成的RSD薄发射极的场发射扫描电镜（Field-emission Scanning Electron Microscope，FSEM）断面微观形貌扫描图片，图示为放大3000倍的情况，可以看到结面是平坦的。图4-27b是该样品的微区能谱成分分析及线分布（Energy Dispersive Spectrum，EDS），可读得合金层厚度约为2.27μm。根据Al在Si中的固溶度，P^＋发射区的掺杂浓度在10¹⁷～10¹⁸cm^-3量级，因此薄发射极的条件是满足的。

图4-27 RSD薄发射极的场发射扫描电镜（FSEM）断面微观形貌扫描图片和微区能谱成分分析及线分布（EDS）

a）FSEM图像 b）EDS结果

编号为2-1-4的两芯片串联的薄发射极RSD器件在开通试验平台上进行了测试。实验条件如下：主电容为10μF，主电压为2.5kV，预充回路电容为1μF，预充回路电压为1.3kV，负载电阻为0.25Ω，可饱和磁开关绕线3匝。监测设备为泰克公司示波器TDS2024。图4-28表示了开通电流和电压的示波图，换流峰值为5500A，从电压波形来看没有尖峰，这表明开通过程均匀。总开通电压15V，则平均到每只管芯为7.5V，表明在RSD中引入薄发射极对改善其开通特性是确实有效的。

图4-28 No.2-1-4薄发射极RSD开通示波图