【doc】500A,1200V光控双向晶闸管的研制

【doc】500A,1200V光控双向晶闸管的研制 500A,1200V光控双向晶闸管的研制 老菸莲1:t. 高牟c.r蛊击t艘sNIcV0I.22?5May1994 , 6o 5ooA,1200V光控双向晶闸管的研制 Developmentof500A,1200VLightTriggeredTriacs 赵善麒高鼎三.至垂垂 /, 牛2 (吉林=Ic学电子工程系.长春130023)..(北京电子电力新技术研究开发中心,北京 100o】1)... [1lEI本文具体描述了中心锥形帽状光破门板结构光控双向晶闸臂的站构特点,介 绍了该新型结构器件的关键生产工艺.并对器件的艘发特性进行了较探^的理论 研究.研制 成功的直径为40ram,电流容量为5ODA.耐压为1200V的光控双向晶阐臂的最小 光艘发功奉 小于15mW,动态峰值压降小-T1.6V,换向d~/at耐量太于lO0V/#s,换向di/atiiilt~: 于 5OA/ 关一调光控双向晶闸臂,光敏门板,光艘发灵敏度,换向dr~dr耐量,换向山耐量 Abstract:A500A,1200V-40ramdia.1ighttriggeredtdachasbeendeveloped-This devicehasthecharacteristicsofminimumlighttriggeringpoweroflessthan15row,on-state voltage0flessthan1.6V,commutat/ngdr/drcapahi~tyotmorethan100V/psandcon1- mutatingd//atcapabi~tyotmorethan50A/Fs.Thestrtlcturefeatures,theoretical studiesonthehttriggercharacteristicandkeymanutacturingtechnologies0f thedevicearepresented'mthispaper. Keywords,Lighttriggeredtrlac,Lightsensitivegate-Lightriggeringgety-Com- mutatingdr/atcap[ity,Commut~ingdi/dteapabilit-] 一 ,引言 光控双向晶闸管(LTTriac),由于其触发信号是光信号,使门极回路与主回路完全绝缘开 ,可以从根米.这种新型的高级器件具有很高的换向能力及良好的门极触发对称性本上解决电 控双向晶闸管换向能力低,触发对称性差的缺点,使双向晶闸管向大功率和高频方向的发展成 为可能.在应用上,Ln_呲省去了普通器件所必需的门板触发变压器等多种控制回路元件, 使线路简单化.因此,这种器件一出现,就受到了人们的青睐,被广泛应用于光电耦合器,固体 继电器和固体接触器,电动机调速,控温,焊接等领域,对那些要求高换向能力,较高频率特性 ?1992年lO月收到,1993年5月謦改定稿.目家自然辩学基童赍助项且 ..皿帅shanGaoDig哪(J~ilnuytchangchIIn130023) …W=meZhe~aan(BeijlnePowerElech?R80Center,Ing100011) / 第5期赵善麒等:500A,1200V光控双向晶闸管的研{日I55 的高可靠变流装置,光控双向晶闸管更有其它器件无可比拟的优点. 国外大功率LTTriac多数采用v形槽光敏区结梅[1],器件的两个晶闸管被一个断面为 v形的淘槽分隔开,避免了工作状态下的相互干扰.这种结构,虽然能得到很高的换向能力,但 由于大面积挖槽,不利于器件获得高电压和大电流.而且,生产工艺一致性差,成品率低.国外 这种光敏门极结构的LTTriac的电流,电压的最高水平为100A,1000V.在实验过程中,我们 发现对双向晶闸管换向能力影响最大的是门极区部位的隔离区宽度和步子寿命],根据这一 观点,在LTTriac的结梅设计上,我们没有贯穿整个隔离区挖槽,而只在门极区挖槽,这就形成 了一种新的LTTrLac结梅,即中心锥形槽状光敏门极的光控双向晶闸管. 二,结构特点 图1是500ALTTriac的结梅示意图.该结构具有以下三个主要特点: 1.采用了双放大门极结构以提高器件di/dt耐量,保证两个晶闸管的光触发灵敏度基本 一 致.n.是第一主晶闸管PanPn的放大门极,它与一nP组成的小晶闸管称为第一引发 晶闸管}r是第二主晶闸管P..pb.z的放大门极,npbzn.为第二引发晶闸管.两个引发 晶闸管的发射区上,均有一排短路点(图中,S),目的是防止放大门极过宽而引起器件dr~dr 耐量的下降. 2.采用了锥形槽状的受光区(图中,c).受光区采用锥形槽,当锥体的顶角较大时,器件就 相当于有一个角度较小的内台面,当第一或第二晶闸管处在正向阻断时,J:结或J::结的空间 电荷区将在这一小内台面上展宽.LED发出的光通过照射到JI结或J.结的空间电荷区及其 附近的n基区和P基区来产生电子空穴对,形成光生电流,达到触发器件的作用.这种结梅可 使两个晶闸管的触发灵敏度大致相同.另一方面,锥形槽处在中心门极位置,可以在很大程度 上"屏蔽两个晶闸管间的相互干扰,即当一个晶闸管处于开通状态,另一个晶闸管处于阻断状 态时,由于锥形槽的存在,在关断过程中,阻挡了门极附近通态一侧的残余载流子向阻断一侧 扩散,而这一扩散电流正是造成器件换向失败的主要原因.因此,这种光敏门极结构可以使器 件获得很高的换向能力. 3.Tz端槽内有一层绝缘层(图中,i).目的是避免产生的光生电流旁路掉,提高器件的触发 灵敏度.同时,也保证了第二晶闸管的放大门极能充分有效地起作用. 三,理论分析 由光电流与光触发功率间的关系及光电流与触发电流间的关系],不难得到光控晶闸管 的最小光触发功率为 矿一(1一at)h7(1一R)TL(1) 式中h为普郎克常数,y为入射光频率,g为电子电荷量,R为反射系数,为有效量子效率,q 为npb晶体管共基极直流电流放大系数,为最小触发电流. 因为器件的放大门极上有一排短路点,因此,它的最小光触发功率的计算较复杂.假设放 大门极上的短路点的数目为,直径为d,以中心为原点,r,+d/2为半径均匀分布,如图2所 示?光触发时,除了大部分光生电流从这些短路点(图中,S)流出外,还有一小部分电流流过这 排短路点,从短路环(图中,)流出.显然,这两部分电流对触发都有贡献. 电子 为计算方便,假设光敏槽处的JJ结分别为第 一 ,第二晶闸管光生电流的源区,并将第一晶闸管放大 一 ? 同样,将rljr,r2=r砧2.="代入,得到第二晶闸图1中心锥形括光敬门桎的LTTfiac结构示意图 管的最小光触发功率:(a)Tl端俯槐围(b)T2螭.I}视图(c)音!I面图 ; kvo(F2+I|1)/p~tn.(5) 上面两式中,胁分别为第一,第二引发晶闸管P基区的方块电阻,其值为一l,,P 一 /w,z.,分别为P基区的平均电阻率,,.分别为相应P基区的有效宽度,r口一 w,~/tgo?一(却一却一)/t,如2分别为P型,n型扩散结深,为挖槽深度,r一 (r,~l--ro+(却一"')/tge)?l=rl+l一?,而ro,l,rm,2.Q的意义见图1(c)所 示. 应指出,上面得到的矿是指器件导通所必需的最小光触发功率.而要使器件导通,LED的 最小发光功率(也称之为最小光触发功率)与之问有如下关系; 秸一/}(6) 式中{为正向阻断结在锥形槽上的展宽面积与整个槽面积之比,其大小主要由Pbnb结两端的 第5期赵着麒等:500A,1200V光控双向晶闸管的研制57 圈2带有短略点最大门撮的结构示意圈圈3光触发功率的计算模型 偏置电匿及角度口决定. 在触发LTTriac时,若器件两端偏置电压为300V,按表1给出的典型工艺条件,用CAD 可以计算出两个晶闸管P基区的方块电阻一911.6Q/口【. 衰ILTTr;ac典型工艺囊件 p堕杂质表面堆度lp垂扩散结耀(唧1)n型扩散结探(即)I挖槽探度() 1×101Bcm一0I8525mI5 根据500ALTTriae的实际版图尺寸,由式(4),(6)可以得到器件的最小光触发功率 的理论计 算值t第一晶闸管挂一13.6row,第二晶闸管赔=13.7row.计算结果与实验结果啪硝?哦一 12.7--14.8mW基本相吻合.而且,器件两个晶闸管的光触发灵敏度基本一致. 图4示出了器件第一晶闸管的挂与P之间的关系,当 大于900Q/口时,帕小于15mW,若要获得硝小于lOmW的触 发灵敏度,的值要大于1300Q/口. 四,关键的生产工艺 一 只光控双向晶闸管从第一次扩散(p型扩散)到总测要经 历近30道工序,本节只对两个关键的,与普通双向晶闸管不同的 工艺进行较详细的介绍. 1.T.螭放大门极的形成工艺 由图1可见,T1端放大门极:与普通晶闸管的放大门极完田?最小光越发功率与P 全一样,只要在设计及工艺上加以控制,很容易保证其在第一晶基区方块电阻间的关系 闸管的导通过程中充分有效地起作用.但是,怎样保证T2端放大门极:在第二晶闸管导通 过程中充分有效地起作用?这首先取决于区上的金属接触层能否与烧结形成的欧姆接触 层完全绝缘地隔开.经过反复实验摸索,我们用熔点高于烧结温度的镰作n区的接触电极, 电子1994芷 用si和siN.双层膜作绝缘膜,很好地解决了电极间的绝缘问题,保证了放大门极能充 分有效地起作用. 2.光敏槽的形成工艺 获得锥形槽状光敏区是器件生产中最关键的工艺.对(1ii)硅单晶,要获得槽探在300#m 以上的锥形槽,现有的技术水平,不论是干法刻蚀还是湿法刻蚀.都很难实现.在实验中我们 采用了研磨加腐蚀的方法.较好地解决了这一难题. 为减小入射光在锥形槽表面的反射损耗,在受光区表面蒸镀上一层光学厚度约为入射光 波长四分之一的SIO膜作为减反射膜.表2列出了5只管芯蒸镀前后最小光触发功率柱的测 试值.蒸镀厚度为1280^的SiO膜后,器件第一晶闸管导通(I象限)所需的光触发功率比蒸 膜前减小24,29,而第二晶闸管(I象限)则减小20,28.减反射效果显着 衰2薰麓SiO囊前后量小光触发功率的蔫试值 蛇 \\方式 蔫膜前咄)蒸膜后c劬) \\ 管 9l一l一613.213.19.71O.2O.270.22 9卜l一7I5.216.3l1.312.60.260.23 91—3一l-1316.9l6.212.312.20.270.25 91-3—1—1716.5l7.811.7l2.80.290.28 9I-3-I-22l2.O12.49.19.80.24O.2l 因为所研制的LTTriac是大功率器件.在阻断状态 下器件的锥形光敏槽这一小内台面也要承受很高的电 压,显然,几百纳米的SiO膜根本达不到要求,还需用另 外一层保护膜钝化小台面,以保证器;牛的阻断特性和长 期工作的稳定性.我们选用了聚酯改性硅漆(sP)作为钝 化膜,该膜与SiO膜有良好的粘附性,对使用的波长范 围完全透明,而且折射率与SiO膜的折射率相近.另外, 还具有绝缘性能好,涂敷简便,易固化等优点. 五,电学参数 圈550oALTTriac外观圈 采用上述结构,理论和工艺,用直径为40ram的 NTD硅单晶,我们研制成功了500A,1200V光控双向晶闸管.图5为该器件的外观图,LED 被镶在T-端压块内,黑电线为LED的正极.白线为负极.当LED正偏时,器件可在任一方向 上被触发导通. 图6是L1vrr室温下通态伏安特性曲线,其中I象限代表第一晶闸管的特性,I象限代 表的是第二晶闸管的特性.在700A电流下,两象限的通态峰值压降分别为I.29V和1.MV, 两者之差?n小于0.IV,器件的通态伏安特性一致性很好.图7是器件I—I象限,I—I 第5期赵善麒等:500A,1200V光控双向晶闸管的研制59 童墨 吾彗 : 粤 0 圈6500ALTTrlae的通态戗安特性曲线图7500ALTTrlae换向时的电汽,电压菠形 象限换向时的电流,电压波形.测试条件为结温Tj一125C,7"1,Tz端之间施加电压一 400V,LED的触发电流一200mA.图中可见,该器件I一?象限换向和I—I象限换向 时,换向dr~dr耐量(dv/dt)的值分别为117.6V/和125V//~s,换向di/dt耐量(di/dt)的值 分别为49.6A/vs和47.6A//,s(~_述四个数值不是器件(dr/dr)和(di/dt)的极限 值).LTTri— ac的换向能力远远超过普通双向晶闸管. 表3列出了所研制器件的额定参数和特性参数的测试值 衰3LTTriac电学参敷j[总 参数名称符号单位测试值 昕釜重复峰值电压V阻MV1100,1300 反向重复峰值电压lvRRHV1100,1300 赣定通态电瓶(有效值)工n岫Afi0O 最小光地发功率IWl2,15 通奄峰值压障VqnaV<1.6 动奄ddt(/dr).V/200 动奄(d//dt).^,峭)-50 换向/出(tit)V/vs>100 换向di/tit(dl/dr)A/)-50. 开通时间7,l2 门,阴撮氅缘电压Vt—V2OOO *固受淄试条件限制,(di/dt)c的值最高只能溯到5OA/脾 六,结论 理论分析和实验结果表明,锥形槽状光敏门极的光控双向晶闸管容易获得高电压, 大电 流,而且具有很高的换向能力及良好的触发参数对称性.采用镍作接触电极,S|0和 siN.膜 作绝缘膜可以确保端放大门极充分有效地起作用.光敏区表面蒸镀一层SiO减反 射膜大大 提高了器件的光触发灵敏度. 感谢国营第七七七厂=车间,高可靠所全体人员,特别是宋泽夸,郑景春,夏吉夫,刘 芝连, 电子1994正 陈平等同志在管芯制造方面所给予的大力搏作.感谢沈阳自动控制研究设计院测 试中心,浓阳 信达电力半导体所的曲盛才,赵艳玲,王采福等同志在器件测试方面的帮助. 参考文献 lTYatsuo,eta1.ALightactivatedhighpowerbi— directionalthy~stor.PESC,l978:267,27l 2小西信武.2段点弧形双方向性水廿y工岁.昭53一 I29877-I978:397~401, 3梧田秀雄.光付势双方向性廿工岁,昭57l979l, 1982=25l,254 4挥越恒男.光点疆形双方向廿工岁,昭59--54295. I984【291206 5赶善麒.大功率光控双向晶闸管的研制博士学位论文. 吉林大学电子科学最.1991 5大桥弘通.光廿五穸感光半导体索子性帕 E用盎电气计算.1980,48(8):30—36 越善?1962年n月出生,1983年毕业于沈阳 工业大学(原沈阳机电学院)电子工程系,1987年和 1991年分别在吉林大学获硕士,博 士学位.近几年来主要从事电力电 子器件,半导体光电器件,半导体 传感器件的研究.现任中国电工学 会高级会员中国电力电子学会理 事.已发表学术论文二十余篇 高鼎三:1914年出生于上 海,1944年毕业于国立西南联大. 自1955年以来先后在吉林大学物 理系和电子科学系任教.现任吉林 大学电子工程系教授和名誉主任. 其主要研究兴趣为半导体物理,光 电子学,半导体器件和光电子器 件. (上接第79页) 觉,热觉及温觉传感器,非视觉多传感器组合技术及 信息融合处理,发表机器人方面学术论文2O余篇. 文l0余篇 罗志增1985年毕业于成都 电讯工程学院电子机械系,1989年 获浙江大学工学硕士学位.现在杭 州电子工业学院机器人所工作.主 要从事机器人非视觉传感器的研 制,信号处理等方面的工作.已在 国内外的学术会议,杂志上发表论 鏊譬 ,一,一一一一一一一一一,一一一,一一一一一一一一一,一一一一一一_