轧钢电机用4200V3000A大功率晶闸管参数验证与工艺改进.doc

申报论文 （高 级） 题目： 轧钢电机用4200V/3000A晶闸管设计优化 单 位： 北京京仪椿树整流器有限责任公司 姓 名： 尹启堂 课题方向： 功率半导体器件 2011年 02月 28日  摘 要 本文根据现有的4200V/3000A普通晶闸管的扩散参数及扩展电阻测试曲线，利用MEDICI软件对该器件的阻断特性和导通特性进行了分析。结果表明，采用原有的设计，n基区和p基区参数的余量都很大。为了获得较好的阻断特性与通态特性的折衷，提出了两种优化方案，并对这两种方案进行比较验证。 通过MEDICI软件模拟，方案1得到的转折电压为4959V，方案2得到的转折电压为4927V。可见，方案1与方案2的转折电压与原有设计的相差都在150V以上，但两者都能满足4300V耐压指标的要求。 在200A/cm2电流密度下，原有设计的通态压降约为1.9V；方案1得到的通态压降约为1.72V，方案2得到的通态压降为1.7V。模拟结果表明两种改进方案比原有设计的通态压降降低约0.2V。 通过工艺实践证明，在4200V/3000A晶闸管设计与工艺实现中，可以在保证耐压的前提下，通过减小两个基区的厚度来降低压降参数，从而实现优化器件设计的目的。 关键词： 电力半导体器件，普通晶闸管，模拟，优化设计，工艺验证 目 录 摘 要 II 绪 论 1 一、特性验证 3 二、 改进方法 6 1、特性分析 6 2、 改进方案 7 （1） 方案1 7 （2） 方案2 7 3 两种改进方案的比较 9 三、 工艺验证 11 结 论 15 参考文献 16 附录…………………………………………………………………… .……………17 绪 论 晶闸管自上世纪60年代问世以来，历经半个世纪的发展，电压已经由原来几十伏提高到数千甚至上万伏，电流有几十安培提高至几千安培。作为一种成熟可靠地电子无触点开关器件，在国民经济各领域中无所不在，无论电力（直流输电）输送，无功补偿，还是电机调速，感应加热等领域都获得广泛的应用，尤其在超大功率变流应用方面，目前有着其它器件无法替代的优势获得了极为广泛的应用，例如在高压软启动、大功率直流电机调速、高压、超高压直流输电等方面发挥极为重要的作用. 本文讨论的产品是一种广泛应用于轧钢用直流电机调速装置的大功率器件，该产品是基于4”硅片的高压大功KP元件，其要求高温电压特性好（4200V）、压降参数小、电流容量大（3000A）。由于其综合特性参数要求较高，在产品设计、工艺实现方面均有很大的难度，国内的产品还有很大的差距，目前国内用户采用的主要是国外ABB、Dynex等公司的产品。采用压接工艺，可以实现高压产品的制造，但主要的矛盾就是器件耐压水平与压降参数的协调问题，保证耐压，就增大了压降，造成器件的功耗加大，温升高而致使器件失效。为此，我们在原有的产品基础上进行改进，通过对KP3000/4200V采用计算机软件模拟，减少了大量的人工计算，制定出优化方案。工艺实验证明，优化方案是可行的，产品的测试结果显示比原方案有了明显的改善，器件的技术指标接近了国外同类产品。 为方便讨论，下图给出了有关参数的示例。 图0－1 晶闸管芯片结构示意图  一、特性验证 根据扩展电阻测试曲线可知：p+阳极区表面浓度为5.9(1018cm-3，阳极区总深度为μm；拐点处（即p+区与p区交界点）浓度为8(1015cm-3，对应深度为35μm；n+阴极区表面浓度为1.5(1020cm-3，深度为22μm；p基区次表面浓度为1.5(1016cm-3，深度为118μm。衬底电阻率210～230Ω·cm，对应的掺杂浓度2(1013cm-3～2.2(1013cm-3[1]对晶闸管的特性进行模拟,来验证上述结构参数的合理性。模拟时输入的总的杂质分布如图所示。芯总厚度WT为0μm，其中n+阴极区度Wn2为22μm；p基区Wp2为μm。p+阳极区度Wp1为μm，所以，n基区的宽度Wn1775μm。在图所示的杂质分布下，模拟得到的阻断特性模拟曲线如从图中可以看出，对应的电压为5126V。[2]，对应的断态重复峰值电压一定在4500V以上。 图1－2 阻断特性模拟曲线 图给出了在电压5126V下的电场分布掺杂分布。当电压达到最大值5126V时，在n基区的展宽675μm处，在 p基区的展宽75μm处。所以，μm时，n基区的耗尽层展宽Wdn(55μm，p基区的耗尽层展宽Wdp(43μm。，n基区的中性区宽度Wne( 2μm，p基区的中性区宽度Wpe(53μm。 图1－3 在转折电压5126V下的电场分布及其对应的掺杂分布 图晶闸管在不同电压下内部的电场分布。从图中可以看出，随着电压的增加，在 n基区和p