【摘 要】
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逆导型门极换流晶闸管（RC-GCT）是一种新型电力半导体器件,其将GCT与续流二极管反并联集成在一个硅片上,以减小装置体积,改善系统可靠性,在大中功率领域有广泛的应用前景。为了提高RC-GCT芯片有效利用率,开发了一种双模式逆导型门极换流晶闸管（BGCT）,即将二极管单元与GCT单元穿插在一起,可进一步改善器件的特性和可靠性。本文以4.5kV的BGCT为例,采用Sentaurus-TCAD仿真软件
【基金项目】
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国家自然基金项目（编号:51477137）；
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逆导型门极换流晶闸管（RC-GCT）是一种新型电力半导体器件,其将GCT与续流二极管反并联集成在一个硅片上,以减小装置体积,改善系统可靠性,在大中功率领域有广泛的应用前景。为了提高RC-GCT芯片有效利用率,开发了一种双模式逆导型门极换流晶闸管（BGCT）,即将二极管单元与GCT单元穿插在一起,可进一步改善器件的特性和可靠性。本文以4.5kV的BGCT为例,采用Sentaurus-TCAD仿真软件对BGCT的工作机理与特性进行了研究,提出了一种改进型BGCT结构以改善其换向可靠性,同时省去了横向局部的寿命控制工艺。主要研究内容及成果如下:首先,BGCT的工作机理研究。通过仿真研究了 BGCT的正向阻断、正向导通和关断、反向导通和换向机理及特性。结果表明,为了减小BGCT中集成二极管的反向恢复时间和反向峰值电流,实现BGCT可靠的换向,需要对集成二极管的载流子寿命进行有效控制,但会导致阻断时漏电流增加。其次,提出一种改进型BGCT结构,研究了其中寄生npn和pnp晶体管的导通条件及其对反向恢复机理的影响。结果表明,集成二极管阳极侧引入n+调整区后,在不需要进行横向局部寿命控制的前提下,不仅能有效降低集成二极管反向导通时阳极空穴注入效率,使反向恢复速度加快,而且能够降低pn结处反向恢复峰值电场,有利于提高器件抗动态雪崩能力。最后,研究改进型BGCT结构的特性。讨论了 n-基区、nfs层等关键结构参数对改进型BGCT特性的影响,提取了优化后的结构参数。将BGCT与改进型BGCT进行特性对比,结果表明,相比低寿命BGCT,改进型BGCT的阻断漏电流降低了约48%,反向恢复峰值电流降低了约23.6%,反向恢复时间降低了约11.5%。本文的研究结果对于逆导型门极换流晶闸管的研发具有一定参考价值。
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