可见，制造高耐压的晶闸管，必须选取电阻率足够高的硅单晶材料。

      “ntd” 是“中子嬗变掺杂”的英文缩写。将纯度极高（电阻率几千甚至上万ω.cm）的原生硅单晶棒放在反应堆中进行中子辐照，硅中同位素³⁰si₁₄受热中心轰击,变成³¹si₁₄，³¹si₁₄原子经过2.6小时衰变成稳定的³¹p₁₅，原生硅单晶变成所需电阻率的n型硅单晶。与传统掺杂方式相比，ntd硅电阻率均匀性要好得多，严格控制辐照剂量及辐照过程，ntd硅电阻率的不均匀性可做到10%以下。而传统掺杂方式不均匀性很难控制，特别是高电阻率的材料，超过20%是常有的。因此制造参数一致性要求极高的直流输电用晶闸管，采用ntd硅是必须的。

      pn结上施加反向电压，处于反向偏置时，结两侧因载流子耗尽形成空间电荷区，反向电压几乎完全降落在空间电荷区上。

      如果结两侧都是均匀掺杂，且浓度相同时，则称其为对称结，参见图8，从左到右，在pn结处杂质发成突变，故称其为对称突变结。此时空间电荷区被pn结分成左右宽度相等的两部分，它们各承担pn结耐压的一半。

      如果p区掺杂浓度比n区高得多，则p区空间电荷区的宽度会变得很窄，pn结的耐压因此会变低，见图9。

      高压晶闸管承受正反向耐压的两个结，目前毫无例外都是采用扩散工艺同时形成的。p型扩散层的平均浓度要比n区高得多。为了使p区空间电荷区在反偏置时能扩展的宽一些，对pn结击穿电压贡献大一些，必须降低靠近pn结处p区的杂质浓度。为此低浓度深扩散对提高晶闸管的耐压是十分有益的。理论分析结果表明，对于100微米以上p型深扩散，表面浓度从10¹⁷cm^-3降至10¹⁵cm^-3时，体雪崩击穿电压可增加几百伏。

p型扩散浓度过低，对晶闸管的通态压降及动态特性不利，因此，为协调这些参数，常在低浓度p型扩散层上在叠加一较浅的浓度较高的p型层，使整个p型层浓度分布呈阶梯状，如图10所示。

      pn结从内部向外延伸至硅片表面，裸露其上，谓之“结终端”。将“结终端”处理好，才能使pn结内在的耐压特性充分展现出来。对“结终端”进行处理的一系列技术、操作统称“结终端技术”，它主要包括三方面：表面造型、腐蚀和钝化。

      图11是圆形晶闸管芯片的断面图（仅画出边缘部分）。j₁，j₂分别是晶闸管承受反向、正向耐压的pn结。四周斜面用机械方法（如研磨）倒角而成。j₁和j₂终端裸露其上。它们都中止在斜面上，但状态不尽相同。为方便起见，规定pn结终端处二侧面积由高浓度侧向低浓度侧减少的为正斜角，反之为负斜角，显然，j₁和j₂分别处于正斜角和负斜角状态。

研究发现，正斜角pn结表面电场比体内电场低，即使角度θ较大时也是如此。负斜角则不然，其度数必须很小，才能将表面电场降低到体内电场以下。图12画出正负斜角表面电场与斜角角度的关系曲线。

      如上所述，对负斜角pn结，必须采用很小的角度才能使表面电场强度降至体内电场以下，避免表面击穿；如pn结耐压4000v时，负斜角角度θ必须小于3度。随着耐压的提高，负角角度需要进一步减小。以图11中j₂结为例。如果j₂深100um，采用1.5度的负角，负斜角的宽度至少应为4mm。这样会导致阴极面积遭受不小的损失。

      为解决负斜角存在的硅片有效面积受损较大的问题，双正斜角结构应运而生。

      如图13所示，将圆形硅片四周端面加工成“燕尾”槽状，此时，j₁、j₂都处于正斜角状态，故称此种造型为双正斜角结构。

      图14示出双正斜角结构表面电场的分布曲线，图中虚线是单正斜角电场分布曲线。显然，双正斜角表面电场虽然比体内电场低，但比单正斜角表面电场来得高。

      造型是用机械加工方法，如研磨、喷砂完成的，加工后的表面存在一定厚度的机械损伤层，必须用化学腐蚀的办法将其除去，形成光滑、洁净的表面。否则，粗糙的表面存在大量的复合中心，会导致极大的表面漏电流。经过化学腐蚀的管芯，还必须在光亮如镜面的斜面上敷以绝缘性能优良的保护层。即对芯片表面实施钝化保护，以期将对周围气氛非常敏感的硅表面与外界充分隔离。

      目前钝化工艺普遍采用双层保护，内层为淀积在硅表面的无极薄膜，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等；或涂敷与硅有良好粘附性的有机绝缘材料，如聚酰亚胺，有机硅漆等。外层则采用绝缘性能优良，固化后有一定弹性及韧性的硅橡胶。

      少（数载流子）子寿命是晶闸管制造中必须严格控制的物理参数。它与晶闸管通态压降、开关特性有密切的关系。

      晶闸管通态压降由接触压降、结压降和体压降三部分组成。对于高压晶闸管来说，体压降为主要成分，它与少子寿命关系极大，粗略地讲体压降v_体与少子寿命有如下关系：

      v_体 ∝ (τ_p)^-1/2     （5）

      因此为降低高压晶闸管通态压降，必须使硅芯片具有高的少子寿命。关键是硅片在经扩散、合金等必要的高温过程后仍保持较高的少子寿命。

      反向恢复电荷、关断时间与少子寿命同样密切相关，但遗憾的是，它们与少子寿命的关系和通态压降与少子寿命的关系相左。以恢复电荷为例，它与少子寿命成正比：

      q_r ∝τ_p    （6）

      如前所述，动态均压要求恢复电荷被控制在一个较窄的范围内。因此，必须将少子寿命控制在一个合适的水平上，且范围不能太宽。

      目前电子辐照是调控少子寿命行之有效的方法，调节电子束流的剂量，即可实现少子寿命的精准控制。

      反偏置下的pn结，结两侧的空间电荷区分别聚集了正负电荷，犹如一个平板电容器。当突然施加一个反向电压时，pn结就会流过一个位移电流，其大小与pn结电容c_j及所施电压上升率dv/dt有关；

       i_位 ∝c_j · dv/dt   （7）

      给晶闸管施加正向电压时，j₂结为反偏置，产生的位移电流穿过j₃结流入阴极，j₃结将有注入产生。位移电流密度随dv/dt增加而增加，j₃结注入水平随之提高，当dv/dt达到一个临界值时，晶闸管将被位移电流触发而导通。该dv/dt就是晶闸管的dv/dt耐量。

      发射极短路结构可以有效地解决晶闸管因位移电流触发而导通的问题。方法是在晶闸管阴极n⁺区置入一定密度的点状p⁺区，它们与n⁺层下的p⁺区（称为短基区）相连，阴极面上的金属镀层把它们与阴极n⁺层短接在一起，故称为分布式发射极短路结构（图15）。这些短路点给位移电流提供了一个不穿过j₃结直接流入阴极的通道，从而避免了晶闸管过早地因dv/dt而导通，dv/dt耐量得以提高。

      此外，发射极短路结构对改善晶闸管高温(耐压)特性也是有益的。因为高温下，锐增的漏电流同样可以被短路点旁路掉，而不流入j₃结。

      晶闸管被触发后开始只是临近门极的狭小阴极区导通，然后慢慢地向四周扩展，扩展速度vs与基区宽度w（即j₁结与j₂结之间的距离）成反比；

      v_s ∝1/w    （8）

      为加速这个过程，必须加大初始导通面积。除去采用旨在引入强触发的“放大门极”结构以外，最有效的办法就是设计周界尽量长的门极-阴极图形。

      特高压大功率晶闸管硅片厚，扩展速度慢，加之芯片面积大增，为提高其di/dt耐量，加快阴极全面积导通，门极-阴极图形设计显得格外重要。

      图16示出两只芯片直径100mm晶闸管，通态峰值压降随电流脉宽增加而下降的曲线。器件b门-阴极图形较简单，周界长度约为15cm，器件a采用了周界长度达50cm的复杂图形，尽管其耐压为5500v，比器件b高500v，但通态峰值压降随脉宽下降却迅速得多。证明其初始导通区的面积比器件b来得大，阴极全面积导通所需的时间自然也短。

      图中  c=（vtm-vtm`）/vtm`

      vtm为电流脉宽为4ms时的峰值压降。

 

      目前，大量使用的晶闸管都是电控型的。即它是通过门极上施加的小功率电讯号进行控制的，在高压直流输电应用中，成百只晶闸管串联在一起，它们的触发遇到门极电路相互隔离的问题。

      光控晶闸管（ltt）的发明为此提供了一个较好的解决途径。光控晶闸管与电控晶闸管（ett）的区别仅在于，前者是藉助光缆传导至门极上的几十毫瓦的光脉冲触发导通，其他特性没什么区别。

      德国eupec公司（今称infineon公司）进而在光控晶闸管芯片中央集成了一个转折二极管（bod）制成了本身带过压保护的ltt。当正向电压增加到临界电场强度时，bod首先导通，导通电流经过多级放大去触发主晶闸管，保证过电压袭来之时，ltt能安全导通。

      因此，ltt的门极结构不同于ett，如图17。

      贵（州）广（东）和云（南）广（东）高压直流输电工程采用的5英寸8000v ltt,就是由西安电力电子技术研究所（peri）引进eupec工艺技术制造的带过压保护的光控晶闸管。

 

      特高压直流输电将大功率晶闸管提升到一个新的水平，创造了多项“之最”：芯片直径最大，达6英寸；单只功率最大8000v4000a；尺寸最大；外壳最大直径（裙边直径）约200mm......等等。

      按电压裕度2.5倍计算，向家坝至上海±800千伏特高压直流输电工程6英寸晶闸管使用数量为6000只，一个工程采用如此之多的特大功率晶闸管是前所未有的，而且这6000只特大功率晶闸管特性参数及一致性要求十分严格，因此其制造难度也是前所未有的。

 

作者简介

孟庆宗，高级工程师(教授级)，从事电力半导体器件研究开发工作。

王映卓，助理工程师，从事光控晶闸管研发及技术管理工作。