阳极多元胞结构的研究

1.等腰梯形预充等离子柱模型

RSD的阳极是P^＋区和N^＋区多元胞并联的结构，它可看成数万晶闸管和晶体管小单元相间排列而成，预充过程发起于晶体管单元，导通过程发起于晶闸管单元。为保证预充过程中形成的等离子体在集电结附近形成均匀分布的一层，而不是一个一个孤立的“小岛”，P^＋和N^＋元胞尺寸与基区宽度需满足一定条件。

图4-36 RSD结构参数的设定

图4-37 预充过程N基区中等离子柱分布示意图

a）W_nb＞X_pe＋X_ne1 b）W_nb＝X_pe＋X_ne1 c）W_nb＜X_pe＋X_ne1

如图4-36所示，设定RSD阳极P^＋元胞尺寸为X_pe，N^＋元胞尺寸为X_ne1，阴极N^＋元胞尺寸为X_ne2，短路点直径为X_s，N基区宽度为W_nb。预充过程中晶体管单元N^＋发射区的电子注入到N基区，并以发散的等离子柱的形式漂移至集电极前，预充完成时刻近似为等腰梯形分布。图4-37分3种情况表示了不同P^＋、N^＋元胞尺寸与n基区宽度下等离子柱的分布情况，设J₂结处等离子层宽度（即等腰梯形的上底宽）为l，如图4-37b所示，当l＝W_nb时，由平行四边形有X_pe＋X_ne1＝W_nb，此时等离子层刚好交叠于J₂结面。图4-37a表示W_nb＞X_pe＋X_ne1的情况，此时等腰梯形的上底边重叠，即集电极处的等离子柱相互交叉；图4-37c表示W_nb＜X_pe＋X_ne1的情况，此时各等腰梯形上底边之间留出的空白处即RSD预充等离子层的薄弱区域，等离子层分布不均，这种情况会导致RSD的非均匀开通。所以，等离子体在集电结前形成均匀分布的必要条件为

L_pe＋L_ne1≤W_nb （4-33）

由于进行导通过程的是晶闸管单元，作为RSD的主要开关单元，其元胞面积应设计得比晶体管单元大，一般取X_pe＝4X_ne1，结合式（4-33）则有X_ne1≤W_nb／5，即阳极区的N^＋短路点的尺寸应不大于W_nb／5。在导通过程中，由于X_ne1＜W_nb，且X_ne1小于N基区中少子扩散长度，所以晶体管单元对应的N基区也被等离子体充填，并参与导通电流，没有损失工作面积。(www.xing528.com)

2.不同阳极版图开通特性比较

图4-38 不同阳极版图

a）X_pe＋X_ne1≤W_nb b）X_pe＋X_ne1＞W_nb

图4-39 不同阳极版图对开通特性的影响

a）X_pe＋X_ne1≤W_nb b）X_pe＋X_ne1＞W_nb

用图4-38所示两种不同阳极版图制作RSD，其对应的开通波形如图4-39所示。图4-38a的设计满足X_pe＋X_ne1≤W_nb的条件，而图4-38b不满足。测试外电路条件为主电压为2.5kV，预充电压为1.0kV，分流器分流比为246A／V。由图4-39可见，图4-39a做到了均匀同步开通，图4-39b则出现明显残压，说明导通过程中出现了局部化现象。图4-40为按上述规则优化设计的阳极版图实物图。