近年來,高壓晶閘管的應用獲得了長足的發展,(4000~6500)伏的高壓晶閘管已廣泛投放市場，在SVC靜止型動態無功功率補償裝置、發電機勵磁、大型同步機高壓軟起動電源以及鋁電解等大型機電設備上都獲得了成功應用。國際上以ABB、EUPEC為代表,國內以西安電力電子技術研究所【1】、株州南車時代電力電子事業部為代表都有多年高壓晶閘管研制生產的成功經驗。 

一，前言

當晶閘管器件被施加雪崩擊穿電壓時，空間電荷區主要在承擔電壓的PN結（如晶閘管的J1結，或J2結）兩旁展開，體內電場強度達最大值。這時，如果不加處理，表面處（又叫終端區）電場強度將可能超過體內電場強度，造成擊穿電壓降低。作為降低表面電場強度使其低于體內最大電場強度的技術有：表面腐蝕成型技術、PN結終端技術、磨角等機械造型技術、噴砂造型技術等等。前兩者適宜于中、低電壓的中小功率器件，后兩者適宜于中、高壓大功率器件。 

表面造型技術是制造晶閘管的關鍵技術之一。將中、低電壓晶閘管的表面造型經驗（如有的單位采用；正角磨30度，負角磨3~5度）簡單移植到高壓晶閘管是不妥當的，必須依據高壓晶閘管的實際情況,作出新的研究改進。這里常用的表面造型技術有三種：（1）雙正角造型，技術難度大些，高溫特性差些,適宜超高壓（6500V及以上）晶閘管。（2）雙負角造型，適宜于全壓接結構，對機械加工技術要求高些，獨有特點是方便于（1.0.0）晶向單晶的采用。（3）正負角造型，適宜于6500V及以下的高壓晶閘管,相對技術難度小些。 

本公司自2003年起，在學習、借鑒國內外先進經驗的基礎上，開始研制生產高壓晶閘管,首先采用的就是正負角造型結構。本文敘述的就是我們在高壓晶閘管正負角表面造型技術上的一些研究改進，這些改進工作連同整個設計技術工作一起確保了高壓晶閘管研制生產順利進行。  

二，正斜角造型的研究改進

1），無論是采用腐蝕、磨角、噴砂，對J1結（由P1N1P2N2構成的晶閘管，其P1N1結即J1結）來講，往往都成正斜角。這里所謂正斜角，即斜面面積由高濃度向低濃度方向減少的造型。 

戴威斯(Davies）和金特立（Gentry）給出了峰值表面電場強度Em和表面造型角度θ對應關系的計算結果【2】、(見圖1)。奠定了表面造型技術的理論基礎。由文獻【2】和圖1知道：對正斜角，即使不造型，表面空間電荷區的電場都不大于體內最大電場強度，且由正90度向0度方向減少,表面最大電場強度雖然深入到體內，但仍然是呈單調下降的趨勢。為了使因造型而損失的陰極面積減到最小,斜角取接近90度為好，考慮到腐蝕、鈍化保護的需要,最小正斜角也要大于60度。而傳統的正角磨角器最大只能磨35度,為此必須采用噴砂造型。

2），表面空間電荷區寬度和體內空間電荷區寬度的關系式  

以下給出：在P+N結正斜角造型時，表面空間電荷區寬度和體內空間電荷區寬度Xm的關系式【3】。  

令θ1為正斜角，腳標1是為和以下的負斜角θ2相區別，Xm為體內空間電荷區寬度，Xms 為表面空間電 荷區寬度?？梢宰C明： 

證明如下：如圖2：當器件外加反向電壓VR時，空間電荷區在PN結兩邊展開，N基區展寬為Xm，P+區展寬為 Xm(P)由于P+區高濃度,展寬Xm（P）和Xm相比可以忽略。這樣，總的體內空間電荷區寬度仍可記為：Xm。  

表面磨一正斜角θ1,不考慮表面再展寬的表面位置為A,再展寬以后為B,利用電中性原理,磨去的△OAD和上翹的△CAB面積應相等。故有： AB=AD。  

由圖2知：AD=ODctgθ1 ，OA=OD/sinθ1 , OD= Xm。而表面空間電荷區寬度Xms就是OB,  OB=OA+AB

進一步，由B點向PN結位置線作垂線得上翹高度為XmsG： 

XmsG=（1+cosθ1）Xm           ············（2） 

由公式（1）（2）和表1更加清晰地說明：  

（1），Xms始終大于Xm，即正斜角時，表面電場強度始終低于體內最大電場度，說明正斜角造型適合于雪崩型器件的研制生產；  

（2），小正斜角θ1將導致Xms，進而XmsG 過大，不僅因Xms大而造成表面漏電流過大，且因XmsG 過大而延伸到P2區，則因穿通而導致耐壓降低；  

（3），要想使XmsG不超過Xm的30%，則θ1必須大于73度。這更進一步說明采用噴砂造型,并使正斜角θ1?。?0~80）度角的道理。 三，負斜角造型的研究改進" width="12" height="23" alt="" /> 對晶閘管的J2結（由P1N1P2N2構成的晶閘管，其P2N1結即J2結）來講,往往都造型成負斜角,且常常用θ2來表示。這里所謂負斜角，即斜面面積由高濃度（如P2區）向低濃度（如N1區）方向增加的造型。  

由文獻【2】和圖1還可以知道，只有在15度左右以下的負斜角造型，其表面的電場強度（用Ems表示）才能低于體內最大電場強度（用Em表示，如：Em≥2×105V/cm）。對高壓晶閘管,這個負斜角要很小很小，如1度~3度左右，甚至要小于1度。對1度左右的負斜角造型，不僅工藝上很難實現，且造成陰極的有效面積大大減少。  

1973年，科紐（Cornu）【3】對負斜角造型作了深一步的研究,發現最大表面電場強度Ems出現在表面以內25微米處（稱謂次表面），且比體內Em還要大些，即使很小很小的負斜角,往往因次表面電場仍高于Em，器件仍不能達到理想的擊穿值，和正斜角造型相比，采用負斜角造型總是要損失一部分電壓的。  

1976年~1978年，坦普爾(Temple)和艾德勒(Adler) 【4】【5】對負斜角造型作了更深一步的研究,給出了歸一化的Ems/Em～θ2的關系曲線（見圖3），給出了著名的有效負斜角公式（見公式3），奠定了高壓晶閘管，特別是（4000~6500）伏高壓晶閘管真正實用化的基礎。  

有效負斜角θeff和實際的負斜角θ的關系式為： 

（3）式中：  

θeff：有效負斜角，θ：實際造型的負斜角；  

w：低濃度側，即晶閘管長基區的空間電荷區的展寬寬度，w =Xm；  

d ：高濃度側，即晶閘管短基區的空間電荷區的展寬寬度，d=Xm(p2)。  

當d=w時，即線形結下得到的擊穿電壓為最高。當d=0.2w時，θeff=θ， 

說明：公式（3）中的系數0.04就是w/d=5時的修正因子。

圖3中,VB是沒有負斜角影響的最大雪崩擊穿電壓,即Em對應的雪崩電壓。V是與有效負斜角θeff對應的最大轉折電壓。  

由圖可見：如當θeff=3.5?時，歸一化比值為0.9，即該有效負斜角θeff所決定的轉折電壓V對平行平面結轉折電壓VB的比值V/VB=0.9。采用θeff=3.5?，表明用10%的電壓損失去換取操作容易,導通面積保證,這才是真正行得通的好辦法。  

從公式（3）很容易導出其等效公式（4）的形式： 

從表2可以看到，若使真實的負斜角θ2不至于過小,在高濃度側，即短基區的空間電荷區寬度Xm(p2)必須足夠寬，這顯然要求一次擴散的前沿濃度要很低很低。采用低濃度、長時間、深結深的鋁P型擴散可以實現這一要求。而決定晶閘管動態特性、觸發特性的短基區橫向電阻率則主要由鎵擴散來完成。假定 =3.5?,則依據公式(4)和表2,可以給出晶閘管的縱向結構的參考設計來。  

以下以表3的形式給出公式(4)及表2在高壓晶閘管器件設計上的應用 

由參考設計表3，可以得到下面兩個結論：  

（1），有了Xm(P2)，考慮到一定的有效短基區寬度（通常用Wep2 表示）以及二次擴散結深的要求，則可以確定一次擴散結深Xj1的寬度。表3就給出了Xj1的參考數據。  

（2），由Xm(P2)和θ2可以確定負斜角造型而形成的邊寬。如果正斜角θ1造型引起的邊寬為b1，令H為硅片厚度，則：  

b1≥H·ctgθ1                          ··············(5) 

同樣，負斜角θ2，在短基區空間電荷區寬度Xm(P2)下，造成的邊寬設為b2，則有：  

b2≥ Xm(P2)·ctgθ2                    ··············(6) 

有了公式（5），即使硅片厚度H=1.5，當θ1=75度時， b1也要小于0.5。 

有了公式（6），當θ2=2.5度, Xm(P2)=0.092時, b2<2.2。即使θ2=1.5度，Xm(P2)=0.115時,b2<4.4， 整個斜面造型的寬度也不超過5毫米。由此根據電壓的要求,確定了b2值,再按b2值噴砂成類臺面(即按θ2 的數據，僅在b2寬度上噴砂，參見文獻【1】的類臺面圖),則做出的高壓晶閘管不僅電壓滿足要求,且通態 參數得到了充分保證。由于類臺面結構的采用，b2值還可以小些。 四，高壓晶閘管的研制和參數  除了和上面表面造型技術的研究改進相協調,還要其它工藝的配合。諸如多次分步并始終和吸收共同進 

行的P型不對稱擴散工藝的改進;提高長基區少子壽命技術和輕度電子幅照降低少子壽命技術相結合的控制電流放大系數的技術；高溫下的高壓測試以及反向恢復電荷測試技術、可靠的歐姆接觸技術等等。 

以目前產量最大的K-PUK陶瓷管殼封裝的（4000~4500）V的KH型高壓晶閘管為例，給出其主要電熱參數的測試結果：

五，結語  按上述研究改進工藝，成功地生產了市場急需的各種高壓晶閘管，量產化的高壓晶閘管器件電熱參數 

均達到或接近了國內外的先進水平。  

研究改進工作得到了公司領導夏吉夫的鼎立支持和幫助，馮懷樹、李道本等參加了實驗研究,特致謝。 

參考文獻  【1】，孟慶宗 陸劍秋等:φ100特大功率晶閘管的研制 第六屆電力電子學年會論文集（1997.6）71~77； 【2】，R.L.Davies and F.E.Gentry:“Control of Electric Field at the Surface of p-n Junctions”, IEEE Trans. Electron Devices, ED -11, 1964； 【3】，陳泉誠：高溫勵磁整流管的管芯造型電力電子技術 [1986 (4)] 62~66；【4】，J.Cornu:“Field Distribution Near the Surface of Beveled p-n Junctions in High Voltage Devices”, IEEE  Trans.Electron Devices, ED-20, 1973； 【5】, V·A·K·Temple and M·S·Adler：“The Theory and Application of a Simple Etch Contour for Near-Ideal Breakdown Voltage in Planar p-n Junctions”,IEEE Trans.Electron Devices,ED-23, 1976； 【6】, M·S·Adler and V·A·K·Temple：“Accurate Calculations of the Forward Drop and Power Dissipation in Thyristors”IEEE Trans.Electron Devices, ED-25, 1978； 

潘峰：男，遼寧錦州人。宜昌市晶石電力電子有限公司副總經理，工程師，1972年出生，大學本科，研究方向：電力半導體器件  

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潘  峰：13704963488 

韓  娜： hanna1973@163.com 潘福泉：13997712236 panfuquan232@sina.com 載于：  

1）中國電力電子學會第11屆學術年會論文集 2008 11 15中國 杭州 P179 

2）電力電子技術 2008 12 P57