阴极短路点的设计方案

俄罗斯报道的RSD结构模型中很多都未见有阴极短路结构，但经过分析，在阴极设计有限短路点可从如下方面改善RSD特性。

首先，RSD作为具有PNPN结构的类晶闸管型器件，在阴极设置短路点可以改善高温特性和提高du／dt耐量。单只RSD的断态重复峰值电压可达到3.2kV，但在高温条件下（如在重复频率较高时应用）暗电流的增大会使阻断结特性严重退化而引起误导通。瞬变条件下，外电路的高du／dt值导致器件中通过大的位移电流，也可能使器件在转折电压以下变到正向传导状态。引入短路点后，暗电流和电容性位移电流绕过阴极侧发射极，直接从P基区导出而不使N^＋P结正偏。

图4-40 设计的阳极版图实物图

其次，理论上RSD的预充过程首先要击穿阴极侧低压浅结J₃结，然后通过内含PNN^＋二极管预充等离子体。但实际上J₃结的击穿有一定迟延，从而在磁开关饱和前有效的等离子库还未建立起来，影响开通。设置了短路点以后，则预充电流可绕开N^＋发射区，直接通过短路点流进P基区，这对预充是有利的。

图4-41给出了两个短路点的示意图，其直径为d，圆心距为D，通过半定量计算可得

式中，U_D为J₃结的导通电压；S为J₂结面积，C₀为J₂结电容，R_S为有效P基区薄层电阻。由式（4-34）可见，要获得大的du／dt耐量，D和d都必须小，应引入密而小的短路点，即前述参数X_ne2和X_s都应取得较小。

图4-41 阴极短路点示意图

表4-4 不同排布下的短路点相对面积

由于短路点损失了有效发射面积，所以设计中要协调考虑，不致影响开通。表4-4表示了不同排布下的短路点相对面积。(www.xing528.com)

为比较阴极短路点对RSD导通的影响，进行了W系列、X系列和L系列3组管芯的对比实验。其中，W系列未设置短路点，X系列短路点小而稀疏，短路点相对面积为0.2％，L系列短路点较X系列大且密集些，短路点相对面积为18.2％。做开通试验前预测试了预充二极管PNN^＋的正向压降U_DT，结果求平均值后见表4-5。

表4-5 不同阴极版图RSD预充二极管正向压降平均值（测试电流5A，脉宽10ms）

可以看出，W系列由于预充过程要先击穿J₃结，U_DT值相当大；短路点较密集的L系列U_DT值最小，有利于预充等离子库的建立。实验中W系列管芯无法正常开通，没有采到波形，图4-42所示分别为L系列和X系列的开通波形图，可见L系列开通正常，而X系列由于阴极短路点过小影响了预充，在没有足够预充电荷量的情况下发生了局部导通，电压尖峰明显。实验室早期还使用过一种相对面积76.6％的大短路点版图，RSD也能正常开通，但损失有效通流面积过多。图4-43为经过优化设计、协调了预充和导通关系的阴极版图，采用了正三角形的排布，短路点相对面积5.0％。

图4-42 不同阴极版图对RSD开通特性的影响

a）L系列 b）X系列

图4-43 设计的阴极版图

在多次的光刻工艺流程中，总结出以下两点经验：

1）甩胶先甩阴极面，后甩阳极面。这样可使阴极面多10min的前烘时间，让光刻胶在这一面附着得更牢。因为阴极面在显影过程中光刻胶会大面积溶解，而阳极面溶解的面积要小些，且大量尺寸微小的元胞交替排列，使阳极面的光刻胶与显影液的反应速度较阴极面慢。

2）湿度最好控制在50％以下，否则容易出现脱胶的现象，尤其是阴极短路点可能会屏蔽不住。