摘 要: 雙極型靜電感應(yīng)晶體管動態(tài)性能的研究體現(xiàn)在對動態(tài)參數(shù)的分析上，本文對開關(guān)特性， 容量， 容量及開關(guān)損耗等動態(tài)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，從物理的角度闡述了這幾個動態(tài)參數(shù)的意義，對實際應(yīng)用有指導(dǎo)作用。 關(guān)鍵詞: 物理研究; 動態(tài)性能; 動態(tài)參數(shù); 雙極型靜電感應(yīng)晶體管 1 引言 　　電力半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是電力半導(dǎo)體裝置的心臟。電力半導(dǎo)體器件的特性直接影響電力電子系統(tǒng)的體積、重量、價格和性能。八十年代以來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微電子與電力電子在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的功率集成器件。在眾多的新型半導(dǎo)體器件當(dāng)中，靜電感應(yīng)（SI）器件是新生發(fā)展起來的獨具特色的電力半導(dǎo)體器件，并且己發(fā)展成為一個相當(dāng)大的SI家族.該家族的主要品種有功率SIT、超高頻SIT、微波SIT、雙極模式靜電感應(yīng)晶體管（BSIT）、靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）以及靜電感應(yīng)集成電路（SIT-IC）。 　　其中雙極模式靜電感應(yīng)晶體管BSIT是將SIT和雙極性器件BJT的作用綜合在一起，取各自優(yōu)點而形成的一種新型器件。它具有工作頻率高，頻帶寬，輸出功率大、增益高，輸入阻抗高，容易驅(qū)動，輸出阻抗低，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于靜電感應(yīng)器件電流容量大，開關(guān)速度快，適合于作為大功率開關(guān)器件，所以在研究靜電感應(yīng)器件時的性能時不僅包含漏電流、放大倍數(shù)、擊穿電壓等靜態(tài)參數(shù)，還應(yīng)包括諸如開通時間、關(guān)斷時間、功率損耗等動態(tài)參數(shù)。 　　本文在簡要分析了BSIT的工作原理的基礎(chǔ)上，對雙極模式靜電感應(yīng)晶體管BSIT的動態(tài)性能進(jìn)行物理分析，從物理的角度闡述了BSIT的開關(guān)特性，di/dt容量，di/dt容量及開關(guān)損耗這幾個動態(tài)參數(shù)的意義。 2 BSIT的工作原理 　　BSIT外延摻雜濃度很低，柵間距又很小，零柵壓下溝道就己夾斷，故通常處于常關(guān)狀態(tài)，屬常關(guān)型器件。BSIT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 BSIT的結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 　　通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)（柵間距、柵體擴散深度和材料的摻雜濃度等），在柵結(jié)自建電場的作用下，耗盡層便會在溝道內(nèi)充分交亞并形成足夠高的電子勢壘。當(dāng)不加?xùn)牌珘簳r，漏源電壓雖對勢壘的降低有一定的作用，但因溝道已處于充分夾斷狀態(tài)，單靠漏源電壓不會有足夠的電子越過勢壘形成明顯的漏源電流。 　　柵壓為負(fù)時（V[sub]GS[/sub]<0），柵溝p-n結(jié)反偏，溝道勢壘更加升高，器件處于完全夾斷狀態(tài)。阻斷電壓VDS給出了器件的耐壓容量。V[sub]G[/sub]一定，當(dāng)V[sub]D[/sub]升高到一定值時，有微小的電流流經(jīng)器件，該電流為多子電流，屬于勢壘控制電流，此時器件工作在單極模式，I-V特性呈現(xiàn)出類三極管特性，且沿V[sub]D[/sub]軸有一定的位移，這一位移電壓給出了器件的“特征電壓”。 　　當(dāng)柵壓為正且足夠大時，柵溝p-n結(jié)為正偏，有少子空穴由柵極注入溝道。少子參與使器件的作用機制發(fā)生了根本性的變化。隨著柵壓的增加，注入空穴不斷增大，同時有對應(yīng)的電子由源區(qū)注入，在溝道區(qū)和外延層內(nèi) （一定范圍內(nèi)）形成了高濃度的電子—空穴等離子體，使得所在區(qū)域發(fā)展成為準(zhǔn)中性區(qū)并產(chǎn)生顯著的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。該區(qū)域內(nèi)電場很小，對應(yīng)的電壓降也很小，可通過大的漏電流，器件處于開態(tài)，也稱為飽和狀態(tài)。此時電流的大小受注入少子 （空穴）的調(diào)制。屬電流控制型。此種狀態(tài)稱為雙極模式。大的電流和甚低的通態(tài)壓降是此模式的基本特征。I-V特性呈類五極管形式。 3 BSIT動態(tài)性能的物理分析 　　（1） BSIT的開關(guān)特性的物理分析 　　雙極型靜電感應(yīng)晶體管是一種新型功率開關(guān)，其結(jié)構(gòu)和垂直溝道JFET類似。但由于外延層摻雜濃度很低，柵間距很小，柵長也很短，柵區(qū)更接近于源區(qū)，從而柵對電流的控制更強，表現(xiàn)出較JFET 更優(yōu)良的電特性。 　　在負(fù)柵壓下，電流作用主要是溝道勢壘控制機制。在柵壓由負(fù)變正而逐漸增大的過程中，器件由勢壘控制機制向少子注入控制電流機制轉(zhuǎn)化。在正向柵壓很小時，由柵極注入溝道的空穴濃度很低，同時由于溝道勢壘的阻擋作用，由源注入溝道的電子濃度也很小，此時勢壘仍存在，在漏壓作用下，電子通過溝道向漏極運動，同時由于柵結(jié)自建勢的作用，流入柵極的電子電流可以忽略，電子濃度沿溝道中線向兩柵方向逐漸減小。靜態(tài)地看，電子電流在溝道中將補償電離摻雜電荷，從而等價于摻雜濃度減小，即要求的夾斷電壓減小，隨著柵壓的升高，由于源高低結(jié)的反射作用，已有空穴積累于源附近的溝道區(qū)，勢壘降低， 注入少子（空穴） 參與了勢壘調(diào)制電流， 若柵壓V[sub]G[/sub]升到足夠高，勢壘完全消失，在溝道中的注入空穴將與由源注入的電子形成電導(dǎo)調(diào)制區(qū)，柵電流增加。器件處于雙極運用機制， 在溝道區(qū)和外延層一定范圍內(nèi)形成了高濃度的電子-空穴等離子體， 使得所在區(qū)域發(fā)展成為準(zhǔn)中性區(qū)并產(chǎn)生顯著的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。該區(qū)域內(nèi)電場很小，對應(yīng)電壓降也很小，可通過大的漏電流，此時器件處于開態(tài)。這樣就完成了由關(guān)態(tài)到開態(tài)的開啟過程。 　　BSIT 的柵關(guān)斷機制為：在BSIT 開通狀態(tài)下，n[sup]-[/sup]高阻層同時存在的大量少子和多子，當(dāng)柵-陰極間加上反向柵壓用來關(guān)斷BSIT 時，在p[sup]+[/sup]柵附近存儲的空穴被掃向柵極，而部分溝道電子則流入n[sup]+[/sup]陰極區(qū)，此部分載流子的流動將誘發(fā)（導(dǎo)） 在p[sup]+[/sup]-n[sup]-[/sup]-n[sup]+[/sup]二極管的反向恢復(fù)電流。在n[sup]-[/sup]高阻層內(nèi)存儲的大部分載流子將通過p[sup]+[/sup]柵極和n[sup]+[/sup]陰極區(qū)域而被掃離。當(dāng)溝道勢壘升高到足以切斷從陰極區(qū)域注入的電子時，主傳導(dǎo)陽極電流突然被切斷，器件進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。 　　（2） BSIT的di/dt容量的物理分析 　　由于BSIT的開通時間非常短，所以在其開通過程中，將產(chǎn)生很大的電流變化率di/dt，BSIT由于不受等離子體擴散速度的影響。因此具有較大的di/dt容量。 　　BSIT的開通速率一方面取決于溝道勢壘的消除速率，另一方面取決于導(dǎo)電溝道形成的快慢。該過程與耗盡層在溝道中的收縮直接相聯(lián)系，因此，為了使BSIT快速開通，必須采用低阻抗的柵極驅(qū)動電路。 　　圖2給出了BSIT在通態(tài)和阻斷態(tài)對應(yīng)的耗盡層情況。 [align=center] 圖2 BSIT在通態(tài)和阻斷態(tài)時耗盡層示意圖[/align] 　　柵間形成的導(dǎo)電溝道寬度d可由（1）式?jīng)Q定： 　　 （1） 　　式中的a為半柵間距，N[sub]D[/sub]為基區(qū)的摻雜濃度，V[sub]G[/sub]為外加的柵偏壓，Φ為柵結(jié)的自建電勢，ε[sub]0[/sub]為自由空間介電常數(shù)，ε為硅的介電常數(shù)。 　　從（1）式中我們可以看到，對于基區(qū)的不同摻雜N[sub]D[/sub]，當(dāng)V[sub]G[/sub]一定時，不均勻的摻雜N[sub]D[/sub]將使不同部位的d不同。低N[sub]D[/sub]區(qū)，對應(yīng)于窄的d，該區(qū)域?qū)⑾扔谄渌鼌^(qū)域開通。結(jié)果，使得導(dǎo)通電流局域化，電流的局部集中使該處電流的密度很高，可能導(dǎo)致電極鋁條燒毀，使器件失效。 　　即使是N[sub]D[/sub]摻雜均勻，在器件的開通過程中，柵極偏壓也不可能同時施加于所有的柵區(qū)上，在遠(yuǎn)離柵極壓點的地方，由于RC延遲作用，開通總是遲于壓點周圍。但在實際情況下，器件發(fā)生失效的部位首先是在源極壓點附近，而不是在柵條上。這主要是因為當(dāng)源極電流流過金屬電極時，在金屬電極的歐姆電阻R[sub]M[/sub]上產(chǎn)生電壓降。由于金屬電極條電阻自偏壓效應(yīng)，使源極指偏壓在條長方向分布不均勻，離開電極條根部愈遠(yuǎn)，偏壓愈小。造成電極條根部電流集中。因此在壓點處，電流達(dá)到最大。 　　（3） BSIT的dv/dt容量的物理分析 　　dv/dt為臨界阻斷狀態(tài)電壓的上升率，在高電壓、大電流的BSIT的關(guān)斷過程中，器件將承受很大的dv/dt，這相當(dāng)于給BSIT 的漏極和源極之間施加了一個正向上升電壓，由于柵極串聯(lián)電阻RG的去偏效應(yīng)，過大的dv/dt將影響B(tài)SIT的關(guān)斷，使器件不能關(guān)斷或者關(guān)斷以后又重新開通。雖然過大的dv/dt不會造成器件的損壞，但會使整個電路工作不穩(wěn)定。因此必須提高器件的 耐量。 　　可用圖3所示的等效電路來分析阻斷過程中的dv/dt特性。R[sub]G[/sub]為柵源極之間的串聯(lián)電阻，C[sub]GD[/sub]為漏極與柵極之間的等效電容。如圖4所示。R[sub]L[/sub]為限流電阻。反向柵壓V[sub]GS[/sub]用于關(guān)斷器件。 [align=center] 圖3 關(guān)斷瞬間等效電路圖[/align] [align=center] 圖4 BSIT漏極-柵極結(jié)電容等效示意圖[/align] 　　在關(guān)斷過程中，當(dāng)dv/dt過大時，漏極電壓通過電容C[sub]GD[/sub]形成一反向電流，當(dāng)它流經(jīng)柵源電阻R[sub]GS[/sub]時，形成一與V[sub]GS[/sub]相反的電壓，減弱V[sub]GS[/sub]對器件的關(guān)斷作用，有時會引起器件的誤導(dǎo)通。 　　（4） BSIT的開關(guān)損耗的物理分析 　　BSIT的功率損耗包括導(dǎo)通期平均功耗P[sub]F[/sub]、開通功率損耗P[sub]ON[/sub]關(guān)斷功率損耗P[sub]OFF[/sub];以及柵極功耗。一般情況下，柵極功耗占全部功耗的很小的比例，可以忽略不計。 　　開通功率損耗包括開通延遲時間和開通上升時間的損耗;關(guān)斷損耗主要是下降時間和尾部時間產(chǎn)生的損耗。 　　開通和關(guān)斷的功率損耗可以由開關(guān)波形直接計算得到，如圖5和圖6所示，它們分別隨著開通電流和關(guān)斷電流的增加而增加。 [align=center] 圖5 BSIT的開通損耗[/align] [align=center] 圖6 BSIT的關(guān)斷損耗[/align] 　　BSIT的功率損耗是隨著工作頻率的增加而很快的增加。并且在不同的工作頻率下，各部分的損耗所占的比例不同。在低頻工作時導(dǎo)通期平均功耗大于開通和關(guān)斷功率損耗，工作頻率很高時，開關(guān)損耗占主要地位，也就是開通功耗和關(guān)斷功耗遠(yuǎn)大于通態(tài)功耗。 　　另外，柵極驅(qū)動電流的大小對開關(guān)損耗有很大的影響。正向驅(qū)動電流增大，存儲時間加長.關(guān)斷速度變慢，高頻應(yīng)用時開關(guān)損耗增大。但正向驅(qū)動電流減小時，動態(tài)飽和壓降將上升，使通態(tài)損耗增加。因此，柵極驅(qū)動電路的設(shè)計直接影響器件的應(yīng)用。 4 結(jié)束語 　　BSIT的開關(guān)特性，di/dt容量，dv/dt容量及開關(guān)損耗等是重要的動態(tài)參數(shù)，標(biāo)志著BSIT的動態(tài)性能。通過對它們的物理分析，可以深入理解BSIT的動態(tài)性能與工作特性，從而，找出可以提高BSIT動態(tài)性能的方法，對實際應(yīng)用有指導(dǎo)意義。 參考文獻(xiàn) 　　[1] B.J.Baliga, "The di/dt Capability of Field-Controlled Thyristors"，Solid-state Electronics, Vol.25, No.7, P.583-588,（1982）. 　　[2] B.J.Baliga, "The dv/dt Capability of Field-Controlled Thyristors",IEEE Trans.Electron Devices, E D-30（6）,P612-616,June（1983）. 　　[3] YMochida, J.Nishizawa, T.Ohmi and R.Gupta, Characteristics of Static Induction Transistor: Effects of Series Resistance, IEEE Trans. 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