一种高压高脉冲功率特性光控晶闸管器件设计

摘要

电力作为现代工业发展的基石，而电力电子技术作为一门新的学科技术，其对电能的转化和处理能力极大提高了电力应用的智能化，并且在现代电力系统中得到广泛应用。现代电力系统能够稳定工作的关键在于电力电子系统功能的多样化，功率半导体器件作为电力电子系统主要电子元器件，在电力电子技术领域中扮演着重要角色，其中光控晶闸管（Light-Triggered Thyristor，LTT）具有正向阻断电压高、光触发组件简单、触发延迟短、触发功率小、抗电磁干扰能力强等优势，在脉冲功率（Pulse Power）领域与高压直流输电（High-Voltage Direct Current，HVDC）系统得到广泛应用。光控晶闸管在脉冲功率、特高压直流输电（UHVDC）工程等应用领域具有举足轻重的地位，但国内LTT的整体技术水平比较薄弱。本文通过对LTT相关特性的研究，设计出一款耐压达到6000V高脉冲功率特性LTT。主要工作如下： （1）介绍了电力电子技术和功率器件的发展以及光控晶闸管的发展历程和国内外的研究现状，详细分析了光控晶闸管的结构、工作原理、动静态特性。根据分析提出了提高器件脉冲功率能力的途径，为后面新提出光控晶闸管器件的设计优化奠定了理论基础。 （2）完成6000V的PT-LTT结构优化设计。首先通过仿真和实验对比了光触发相比于电触发的优点，然后对光触发参数的波长和光功率密度进行了仿真分析，最后对传统结构和导通开启瞬态特性的分析，找到了传统结构的缺点，并提出关于光控晶闸管新的设计方案。通过对阻断电压、光触发特性和动态电流的要求分别确定衬底硅片材料厚度、衬底电阻率、光栅和阴极长度以及P+阳极、N-buffer层、P-Well和N+阴极区的结深和掺杂浓度等器件的结构参数，最终通过仿真优化设计确定了光控晶闸管器件结构。 （3）结终端与版图封装设计。对适用于本设计光控晶闸管的结终端技术进行了介绍，运用这些技术设计出了一种满足新结构光控晶闸管耐压要求的结终端结构；根据原胞与结终端参数设计了版图示意图，通过仿真工具确定了器件工艺制造流程；根据器件相关特性设计了一种适用于本设计光控晶闸管的封装型式。

目录

第一章 绪 论

1.1 功率半导体器件的发展概述

1.2 LTT的发展背景及选题意义

1.3 本文主要工作

第二章 光控晶闸管的结构及工作原理

2.1 晶闸管结构及特点

2.2 晶闸管的阻断特性

2.2.1 晶闸管正向阻断特性

2.2.2 晶闸管反向阻断特性

2.2.3 温度对晶闸管阻断特性的影响

2.3 晶闸管的导通特性

2.4 光控晶闸管（LTT）

2.4.1 LTT通流能力

2.4.2 LTT的电流上升率

2.4.3 LTT的触发导通机理

2.4.4 LTT的动态特性

2.5 结终端技术介绍

2.5.1 场限环技术介绍

2.5.2 场板技术介绍

2.5.3 场板加场限环技术介绍

2.6 本章小结

第三章 光触发与高di/dt光控晶闸管设计

3.1 光触发与电触发

3.1.1 仿真数据对比

3.1.2 实验数据对比

3.2 触发光参数研究

3.2.1 光功率密度

3.2.2 光波长

3.3 器件原胞优化设计

3.3.1 衬底材料选择

3.3.2 P-Well区优化设计

3.3.3 N+区优化设计

3.3.4 N-Buffer层优化设计

3.4 参数优化

3.4.1 器件阴极区长度对瞬态特性的影响

3.4.2 器件光栅长度对瞬态特性的影响

3.5 耐dv/dt能力

3.6 本章小结

第四章 结终端及版图封装设计

4.1 终端结构选型

4.2 工艺步骤设计

4.3 结终端设计

4.4 结终端优化

4.5 结终端拉偏仿真

4.5.1 第二层金属场板拉偏仿真

4.5.2 第一层金属场板拉偏仿真

4.5.3 Si-SiO2界面电荷拉偏仿真

4.6 LTT版图设计

4.7 LTT封装型式设计

4.8 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 本文工作总结

5.2 下一步工作计划

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果