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砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射能量分析

激光与光电子学进展 2013年第9期50卷 180-184页

作者：刘鸿郑理杨洪军杨维郑勇林朱晓玲成都学院(成都大学)电子信息工程学院四川成都610106 成都工业学院机电工程系四川成都611730

研究了高增益砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射能量。从砷化镓光导开关中电流丝的非平衡载流子复合出发,导出了电流丝的自发辐射能量公式,建立了电流丝自发辐射的理论模型。在电流丝达到稳定状态的条件下,计算了电流丝一端的辐射波长为... 详细信息

研究了高增益砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射能量。从砷化镓光导开关中电流丝的非平衡载流子复合出发,导出了电流丝的自发辐射能量公式,建立了电流丝自发辐射的理论模型。在电流丝达到稳定状态的条件下,计算了电流丝一端的辐射波长为875nm和四个峰值波长的自发辐射能量,其中峰值波长890nm的最大光输出能量与实验观察结果吻合,合理解释了电流丝的自发辐射现象,对应用这个模型计算其他辐射波长的光输出能量给予了支持,为进一步深入定量分析电流丝辐射的光致电离效应奠定了基础。

关键词：光电子学砷化镓光导开关电流丝自发辐射

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砷化镓光导开关中电流丝的辐射复合系数研究

成都工业学院学报 2013年第2期16卷 10-12页

作者：郑理刘鸿成都工业学院机电工程系成都610031 成都学院电子信息工程学院成都610106

应用统计物理方法研究了砷化镓光导开关中电流丝(即流注)的辐射复合系数。通过分析砷化镓光导开关中电流丝一端的自发辐射光谱,依据简单平均法和归一化条件,确定了电流丝辐射波长为890 nm的辐射复合系数为0.118 2,与相关实验测量吻合。

关键词：光电子学砷化镓光导开关电流丝辐射复合系数

砷化镓光导开关中电流丝875nm辐射的光致电离效应

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成都工业学院学报 2016年第2期19卷 61-62,74页

作者：郑理刘鸿成都工业学院机械工程学院成都611730 成都学院电子信息工程学院成都610106

研究高增益砷化镓光导开关中875 nm自发辐射产生的载流子密度分布特征。导出电流丝一端875 nm辐射的光致电离效应规律,计算电流丝一端875 nm自发辐射产生的载流子密度。计算结果表明：紧邻电流丝顶部处的光生载流子密度最大。比较发现87... 详细信息

研究高增益砷化镓光导开关中875 nm自发辐射产生的载流子密度分布特征。导出电流丝一端875 nm辐射的光致电离效应规律,计算电流丝一端875 nm自发辐射产生的载流子密度。计算结果表明：紧邻电流丝顶部处的光生载流子密度最大。比较发现875 nm自发辐射的最大光生载流子密度大于890 nm自发辐射的最大光生载流子密度至少1个数量级,但是小于电流丝内载流子密度1~2个数量级。

关键词：光电子学砷化镓光导开关电流丝光生载流子密度

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改善高压FRD结终端电流丝化的新结构

电子科技 2013年第10期26卷 98-100,104页

作者：吴立成吴郁魏峰贾云鹏胡冬青金锐査祎影北京工业大学电子信息与控制工程学院北京100124 国网智能院电工新材料及微电子研究所北京100192

动态雪崩问题是影响高压硅功率二极管如高压快恢复二极管(FRD)坚固性的一个主要因素。文中通过仿真计算,比较了高压FRD两种不同终端结构的动态雪崩特性。结果表明,横向变掺杂2(VLD)终端结构的动态雪崩耐量比结终端延伸(JTE)结构更优。... 详细信息

动态雪崩问题是影响高压硅功率二极管如高压快恢复二极管(FRD)坚固性的一个主要因素。文中通过仿真计算,比较了高压FRD两种不同终端结构的动态雪崩特性。结果表明,横向变掺杂2(VLD)终端结构的动态雪崩耐量比结终端延伸(JTE)结构更优。为改善后者动态雪崩过程中结终端处的电流丝化问题,文中提出改用P+/P阳极结构中的P型缓冲层做介于有源区与终端区之间的电阻区。仿真结果表明,相应的电流丝化问题可得到显著缓解。

关键词：快恢复二极管动态雪崩电流丝终端结构

IGCT过应力关断下动态雪崩诱发的电压自箝位效应

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半导体技术 2024年

作者：董曼玲姚德贵宋伟张嘉涛肖超鲁一苇杨武华国网河南省电力公司电力科学研究院国网河南省电力公司西安理工大学自动化与信息工程学院

作为高压功率器件，集成门极换流晶闸管（IGCT）关断过程中必然发生的动态雪崩效应是限制器件反偏安全工作区（RBSOA）的重要因素。通过建立能更好地反映电流集中效应的多单元仿真结构模型，对IGCT过应力条件下的关断特性进行了仿真，... 详细信息

作为高压功率器件，集成门极换流晶闸管（IGCT）关断过程中必然发生的动态雪崩效应是限制器件反偏安全工作区（RBSOA）的重要因素。通过建立能更好地反映电流集中效应的多单元仿真结构模型，对IGCT过应力条件下的关断特性进行了仿真，发现了一种与开关自箝位模式（SSCM）非常相似的电压自箝位效应。然而，与SSCM不同的是，这种自箝位效应是由动态雪崩效应诱发的。在强烈的动态雪崩下，雪崩产生的载流子与被移除的载流子达到了动态平衡，耗尽区电场无法展宽导致了电压箝位。由于自箝位期间雪崩产生的电流丝无法快速移动，器件极易因局部过热而损毁。并且，随着器件电流增益的增大，这种效应更容易发生。研究结果可为IGCT提供更清晰的RBSOA。

关键词：集成门极换流晶闸管(IGCT) 反偏安全工作区(RBSOA) 过应力关断动态雪崩电流丝自箝位

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高压IGBT雪崩鲁棒性的研究

物理学报 2023年第7期72卷 400-409页

作者：杨武华王彩琳张如亮张超苏乐西安理工大学电子工程系西安710048

随着绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)电压等级的提升和电流容量的增大,雪崩效应已成为限制器件安全工作区(safe operating area,SOA)的重要因素.雪崩发生后IGBT背面p+n结的空穴注入是其雪崩效应区别于其他器... 详细信息

随着绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)电压等级的提升和电流容量的增大,雪崩效应已成为限制器件安全工作区(safe operating area,SOA)的重要因素.雪崩发生后IGBT背面p+n结的空穴注入是其雪崩效应区别于其他器件的主要特征.本文通过理论分析与数值模拟的方法研究了IGBT雪崩击穿特性以及雪崩产生电流丝的性质,揭示了控制雪崩产生电流丝性质的物理机制.结果表明IGBT背面的空穴注入导致其雪崩击穿曲线上产生额外的负微分电阻分支;器件共基极电流增益α_(pnp)是决定雪崩产生电流丝的关键因素,随着α_(pnp)的增大,雪崩产生的电流丝强度越强、移动速度越慢,从而导致器件的雪崩鲁棒性越弱.

关键词： IGBT 雪崩效应电流丝鲁棒性

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电力系统用高电压快速恢复二极管坚固性优化

固体电子学研究与进展 2022年第6期42卷 435-440,478页

作者：和峰刘钺杨刘江李翠王耀华晁武杰金锐魏晓光先进输电技术国家重点实验室北京102211 北京智慧能源研究院北京102211 国网福建省电力有限公司电力科学研究院福州350000

高压快恢复二极管芯片过渡区是反向恢复坚固性的薄弱点,一旦失效将影响电力装置稳定运行。提出了一种高阻型过渡区优化结构,通过建立三种模拟模型,研究了过渡区宽度和掺杂浓度对快恢复二极管反向恢复性能的影响。采用高阻型过渡区结构... 详细信息

高压快恢复二极管芯片过渡区是反向恢复坚固性的薄弱点,一旦失效将影响电力装置稳定运行。提出了一种高阻型过渡区优化结构,通过建立三种模拟模型,研究了过渡区宽度和掺杂浓度对快恢复二极管反向恢复性能的影响。采用高阻型过渡区结构的快恢复二极管反向恢复安全工作区仿真极限值提高到电压为2900 V、电流为630 A、电流变化率为1600 A/μs。基于该设计制备的3300 V/1500 A FRD器件可通过电压为3200 V、电流为3000 A、电流变化率为8648 A/μs条件下的反向恢复测试,显著提高了FRD器件的反向恢复坚固性。

关键词：快恢复二极管反向恢复电流丝坚固性

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大面积IGCT的关断失效机理研究

固体电子学研究与进展 2023年第6期43卷 514-518,551页

作者：姚德贵董曼玲宋伟张嘉涛鲁一苇肖超杨武华国网河南省电力公司电力科学研究院郑州450052 国网河南省电力公司郑州450018 西安理工大学西安710048

为了提高大面积集成门极换流晶闸管(IGCT)的最大可关断电流处理能力,以直径为91 mm的4.5 kV大面积IGCT为研究对象,针对其在研发过程中频繁出现的距离门极接触较远的外环失效现象,首先建立大面积IGCT芯片的仿真结构模型,然后给器件施加... 详细信息

为了提高大面积集成门极换流晶闸管(IGCT)的最大可关断电流处理能力,以直径为91 mm的4.5 kV大面积IGCT为研究对象,针对其在研发过程中频繁出现的距离门极接触较远的外环失效现象,首先建立大面积IGCT芯片的仿真结构模型,然后给器件施加相应的关断应力,对器件的关断特性进行仿真分析。结果表明,距离门极接触较远的阴极环单元接收到的关断信号存在延迟,造成器件换流期间的内、外环部分电流分布不均匀,而动态雪崩效应的发生会加剧这种电流向外环的聚集效应,直至雪崩诱发的电流丝产生后,造成外环的阴极单元被重触发,最终导致器件因局部温升过高而失效。采用径向载流子寿命控制可抑制大面积IGCT因信号延迟造成的电流不均匀分布效应,提高器件的最大可关断电流能力。

关键词：集成门极换流晶闸管动态雪崩电流丝寿命控制

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超结场截止IGBT的短路安全工作区研究

超结场截止IGBT的短路安全工作区研究

作者：王志皓重庆大学

学位级别：硕士

半导体功率器件能够提高电能转换效率,对实现我国“双碳”目标极其重要。场截止绝缘栅双极型晶体管(FS IGBT)是目前最前沿的半导体功率器件之一,其研究重点主要聚焦于优化关断损耗与导通电压的折中关系。将超结结构引入场截止IGBT可改... 详细信息

半导体功率器件能够提高电能转换效率,对实现我国“双碳”目标极其重要。场截止绝缘栅双极型晶体管(FS IGBT)是目前最前沿的半导体功率器件之一,其研究重点主要聚焦于优化关断损耗与导通电压的折中关系。将超结结构引入场截止IGBT可改良这一折中关系。在实际应用中,功率器件会碰到一些极端工况,如:大电流关断、短路等恶劣场景,很容易导致器件损坏。因此在优化IGBT折中关系的同时也需要格外考虑器件的可靠性。安全工作区是IGBT可靠性研究的重点之一,短路安全工作区则是安全工作区的重要组成部分,因此对超结场截止IGBT的短路安全工作区进行探讨是很有必要的。本文通过TCAD-Sentaurus软件,对比了1200V等级普通场截止IGBT和超结场截止IGBT的短路安全工作区,对限制短路安全工作区的热击穿和电击穿依次进行了仿真分析,从而对超结场截止IGBT的短路安全工作区进行分析研究。本文首先对普通和超结栅槽型场截止IGBT的基本半元胞结构进行建模仿真,提取热击穿仿真过程中的电热特性。对比短路失效前的短路工作时间(T),并对器件在短路过程中内部状态进行提取分析,从而对仿真结果提出理论解释。电击穿只能在多元胞仿真中被观察,本文对普通和超结栅槽型场截止IGBT的32元胞结构进行建模仿真,提取仿真过程中的电热特性,并对器件在短路过程中内部状态进行提取分析,讨论电击穿现象。本文的仿真结果表明,第一,器件内部的电场分布与器件内部的温度分布紧密相关,因而能够对IGBT的热击穿产生影响。集电极掺杂浓度(N)和漂移区掺杂浓度共同决定器件内部的电场峰值。由于普通和超结场截止IGBT漂移区掺杂浓度相差较大,因此其电场峰值受N的影响不同,导致它们的T产生差距,本文所研究IGBT的ΔT至少有4μs,至多到6.87μs。同样的原因,超结场截止IGBT的T可以通过提升P/N柱区掺杂浓度来使之增加,最高可增加5.7μs;第二,超结场截止IGBT对电流丝有着更好的抑制能力,因为超结结构能够抑制器件底部电场峰值,从而避免器件底部出现较强碰撞电离;第三,本文所研究的超结场截止IGBT的关断损耗与导通电压的折中关系优于普通场截止IGBT的折中关系。在相同的导通电压下,超结场截止IGBT的关断损耗降低了高达89.75%。

关键词：超结场截止绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 短路安全工作区电流丝