晶闸管的主要特性
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
当本底浓度很高（重掺杂）如 Nb 1016 cm3 时，其雪 崩电压与电阻率的关系如下图示。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
(2)晶闸管的阻断电压
晶闸管有两个以上的 pn结，J1、J2 结的耐压与单 个pn结有何不同？
断态电压→ J2结
反向电压→ J1结
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
反向阻断电压：
J2结有电流达到J1结，所以J1结的总电流为
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Wn xm 0.7 当 Lp
时，采用优化设计方法 。
引入优化比值K
K＝(1－α1 )1/n VB ＝VB0 /K ρ＝(VB /100)1/0.75 Xm ＝A(ρVB0 )1/2 Wne ＝LP cosh-1 (1/α1 )
V BO K VB
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VBR＜ VB 同样电阻率的材料作整流二极管，其 雪崩电压为VB，而制成晶闸管，其反向阻断电压只 有VBR。
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晶闸管的反向 电压与二极管 反向电压的比 较。
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又偏压VA 下的空间电荷层宽度为:
xm 2 0V A qNb
2 n 1 n 1 n 1
将Em、Xm的表达式代入x=0的E(x)表达式得:
1 n 1 VB C 2 i
0 q
Nb
n 1 n 1
2.3.2晶闸管的通态特性
(1)晶闸管的通态电压 (2)功耗
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
2.3.1.1晶闸管阻断模式
（1） p+n结的击穿电压
雪崩击穿电压：
碰撞电离的强弱程度通常用电离率来表示，有如下经验 公式：
0
qN b
将电离率代入雪崩击穿条件并作变量代换得 ：
积分得到：
0 Em
Ci E ( x )
d (E x ) 1
1 n 1
Em
(n 1)qNb Ci 0
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
思路：
由Wne和xm可得到晶闸管长基区宽度Wn的表达式； 对Wn(K)求极值 ；且有 Wn( K ) 0，有 极小值存在 ； 令 Wn( K ) 0 并代入各常数得到下式：
(2 K ) (1 K )
n 1/ 2 n
6L p Q
K 8/3
由： 两边同乘
M
1 V 1 V B
n
1
VBR VB (1 1 )
n为密勒指数。可以看到：
1/ n
1 为pnp管的电流放大系数，它直接影响到VBR 。
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面积由高浓度侧向低浓度侧方向减小的磨角称正斜角 表面空间电荷区上向弯曲，低掺杂区的弯曲程度大于高掺杂区， 表面空间电荷区变宽，表面电场强度下降； 面积由低浓度侧向高浓度侧方向减小的磨角称负斜角 最大电场强度随负角的增大而直线上升，并可以超过体内电场， 最大电场强度的位置在高浓度侧，并逐步移向pn结。
( E ) ae
式中a、b、n 均为常数。
b n ( ) E
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2.3.1晶闸管的断态特性
对于硅的平均电离率可简化表示为：
( E) Ci E
雪崩击穿条件：
n ( x)
I j1 I1 I C0
计及雪崩倍增M，由电流连续性原理有， MI C0 I 1 M 1 显然当 M1 1 时，J1结失去阻断能力 。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
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穿通电压：
当有效基区宽度随反向电压增加而趋近于零时，定义 此时p+n结两端所承受的耐压为穿通电压，记为VPT。
VPT
2 0 n
Wn2
当Wn ≤Xm 时得到 的是穿通电压
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解上述超越方程可得到α1 ，依次可求出K、VB、 ρ、 xm
及Wen
。
Wn ＝
所以长基区宽度为：
xm ＋Wen
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假定一次扩散结深为xjp ，则硅片厚为:
δ＝Wn ＋2xjp
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
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表面电荷对电场的影响:
当pn结的低掺杂n区表面有外来正电荷时，表面空间电 荷区减小；有负电荷存在时，则结表面空间电荷区 增宽 。 E=V/WS
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2.3.1晶闸管的断态特性(续） 正斜角、负斜角及电场分布
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
（1）最大电场强度值随倾斜角减 小而单调下降。 （2）既使是90度的斜角（不磨 角），表面最大电场强度始 终低于体内最大电场强度。 （3）最大电场强度的位置随斜角 减小而远离pn结 。
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(3)晶闸管的最小长基区宽度Wn(min)
传统的设计方法：
设计电
压指标
→
确定电
阻率
→
Xm
→
确定 片厚
∣ ∣ 投片后 ←————————
修改
↑
未计及a1 、a2 、扩散长度LP 、 短基区宽度等的影响！！！
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2.3 晶闸管的主要特性
2.3.1晶闸管的断态特性 2.3.2晶闸管的通态特性 2.3.3晶闸管的动态特性
(第四讲)
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本节主要内容
2.3.1晶闸管的断态特性
晶闸管阻断模式 (1)PN结的雪崩击穿、穿通效应 (2)晶闸管的阻断电压 (3)晶闸管的最小长基区宽度Wn(min) 器件的结终端技术 (1)表面态与表面电场 (2)结终端技术
(1 a1 )
2/3
Q 1/ 2 a1 (1 a1 ) 6L p
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
代入各常数得到： (1－α1 )2/3 ＝4.1×103 (1/LP )VB0 7/6 α1 (1＋α1 )1/2
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2.3.2晶闸管的通态特性
(1)晶闸管的通态电压
1．体压降: Vm是Wn /LP的函数，当Wn /LP≤1时，Vm在pin二极管 的总压降中可以忽略不计。当Wn /LP≥3时，Vm呈指数 增加，远大于“短”结构时的压降。通常取Wn≤3LP。
p+nn+结的 “双角造型”
降低了表面电场强度， 减小了nn+区的电场集 中。
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（2） 结终端技术
双正角和组合斜角造型
双正角造型
（a）“M 槽”结构 （b）“V 型槽”结构
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
断态电压：
由J2 结承担，同理有：
VBF VB (1 a1 a2 )
同样可以看到： VBF＜ VBR＜ VB
1/ n
为使正、反向电压对称，需要a2≒0
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13
3 4
Nb 为硅的掺杂浓度
VB C
a
当 Nb 1016 cm3 时，通常可取常数C≈100，常数 a 0.75
与沿用传统的经验公式——“GE公式”完全相同。
当 ≥Xm 时得到的是雪崩电压
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（c）正负斜角造型 （d）“台型”边缘造型
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
场环结构
当主结的电场达到临界 击穿值以前，让主结的耗 尽层“穿通”到浮动电场 环上。穿通之后的电压将 主要由该浮动电场环分担
2.3.1.2 器件的结终端技术
(1)表面态与表面电场 局部缺陷与“快表面态” 带电杂质、感生电荷与 场强 物理吸附和化学吸附
表面最大电场强度随正表面态电荷的增加而 增加，随负表面态密度的增加而减小
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
结的终端延伸技术
控制表面的电荷来达到改善 pn结击穿特性——局部注入p 型杂质使在N 区表面形成一 个轻掺杂的p区延伸带
——用离子注入的方式在表 面添加电荷，通过适当控制 注入电荷的数量使击穿电压 达到理想值
Ci 为常数。
0
xm
a( E ) dx 1
xm 为p+n单边突变结的空间电荷区宽度。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
p+n结的电场分布：
E( x )
qNb
0
n
( x m x)
简化表达：
2kT Wn Vm q Lp
2
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2.3.2晶闸管的通态特性(续）
Wn /LP是体压降大小的主要标志。要减小体压降， 唯一的方法提高少子寿命或缩短基区宽度。 Vm与J无关。 扩散长度随注入载流子浓度的增加而减小。在注 入电平大于1017cm-3，载流子-载流子散射和俄歇 复合起着减小La的作用。因而在低电流密度下的 “短”结构，在高电流密度下要变为“长”结构 。
当击穿发生时，VA=VB，VB为雪崩电压，式中n为常数。 这里取n=7，取
