陈黄鹂 赵涛 种晓辉 蔡彬 刘航辉
摘要:本文论述了目前最为先进的晶闸管结终端造型技术——类台面负角造型技术,此技术与传统负角造型技术相比可以为6英寸特高压晶闸管节省9.2%的有效阴极通流面积,提高8.4%的表面阻断转折电压。类台面造型最佳深度在芯片扩散p-n结结深值附近,但不能超过结深。
Abstract: A most advanced area-reduced junction termination is created in this paper. Compared with the traditional negative angle modeling methode, this area-reduced junction termination can improve the current capacity and blocking voltage of 6 inch UHV thyristors. The effective cathode current area is increased 9.2%,the breakover voltage is increased 8.4%.The best value of area-reduced junction depth is about closing to but not more than diffusion p-n junction depth.
关键词:类台面;6英寸;特高压;晶闸管;造型深度
Key words: area-reduced junction;6 inch;HUV;thyristor;modeling depth
中图分类号:TN34 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2018)25-0226-02
0 引言
随着国家电网直流输电工程单条输电线路输送容量日趋提高,6英寸特大电流特高电压晶闸管的研发生产成为必然。在目前原始区熔硅单晶直径、电阻率及其均匀性一定的条件下,要获取6英寸晶闸管最大通流能力就要获取晶闸管阴极最大有效通流面积。基于此理念本文研究了一种最先进的结终端造型技术——类台面负角造型技术。通过此方法,可以在充分保证器件设计片厚要求达到的目标转折电压前提下极大节省阴极面有效通流面积。
1 类台面负角造型技术
传统负角加工多用球面磨的方法,简单易行。类台面负角造型技术是在晶闸管传统负角造型技术基础上经过优化改进而来的,通过精密加工方法对器件阻断结终端进行类台面造型。对于负角造型的器件,結终端表面空间电荷区的形状及电场分布可以通过调整负斜角角度加以控制。只有当负斜角角度很小时,表面电场才有可能低于体内。随着角度减小,表面空间电荷区增大,表面电场下降,所以要求负斜角很小才能起到降低表面电场的作用。而对于特高压晶闸管,负斜角角度更要足够小才能实现高阻断电压的设计目标。但是要求阻断电压高时,传统负角造型技术很难在不损失阴极有效导通面积的情况下实现角度足够小的负斜角造型,而本文提出的精密加工类台面负角造型技术可以很好地改善这一点,加工出的局部负斜角角度可以在不损失阴极有效导通面积的前提下任意小,充分降低阻断结终端电场强度,提高阻断能力。此造型技术可在保证阻断转折电压更高的前提下获得的阴极直径增量Δ?准/2大于等于2.5mm,相当于阴极面积增加9.2%[1]。类台面负角造型取代传统负角造型提高电压增大阴极面积的原理示意图如图1所示。
2 试验对比及结果讨论
试验芯片:型号——13885(6英寸8500V);
批次——17-68批。
试验方法:除结终端造型工艺外,其他工艺均完全相同;试验芯片片号按奇偶数相间挑出,排除一切干扰因素。
试验结果:如表1所示。
从表1可以看出,采用新型精密加工类台面负角造型方法的芯片转折电压明显高出用传统球面磨负角造型方法芯片的转折电压,平均值高出700多伏。在同等结终端面积条件下,采用传统负角造型技术,芯片阻断电压达不到设计标准(8500V)。若要设计目标得以实现,必须增加结终端面积或增加片厚,在原始区熔硅单晶直径一定的情况下,增加结终端面积只能减小阴极有效通流面积,降低晶闸管最大通流能力;增加片厚,芯片通态压降就会提高,消耗增大。因此,在目前国家电网直流输电大容量大功率输电要求下,传统的负角造型技术已经无法满足要求。本文提出的类台面负角造型技术是新形势下新品开发时的一项重大技术改进。
3 类台面造型注意事项
①精细加工类台面时,造型曲线一定要光滑,不能有台阶、凹坑或尖峰等缺陷区域。因为这些区域会产生电场集中,影响表面阻断特性。
②造型时必须将结终端高掺杂层全部去除,因为高掺杂层不利于空间电荷区扩展,从而降低阻断电压。所以,造型前必须知道扩散掺杂的p-n结结深,造型深度必须在结深附近,但不能超过结深。仍以上述17-68批13885芯片做不同类台面造型深度的对比试验,此批芯片p-n结结深为150μm。造型深度分4组:第1组造型深度为120-140μm;第2组造型深度为60-80μm;第3组造型深度为90-110μm第4组造型深度为150-170μm。结果如表2所示。
由表2和图2可以看出,类台面造型深度对芯片表面阻断转折电压影响很大,随着造型深度的增加,阻断电压先增加后减小,造型深度最佳值在结深附近,但不能超过结深,超过结深后阻断电压骤降。
4 结论
类台面负角造型技术是目前最先进可行的晶闸管结终端造型技术,它可以在不损失晶闸管有效阴极通流面积的前提下,制造出任意角度的局部负斜角。对于6英寸8500V的13885型晶闸管,用类台面负角造型技术进行结终端造型,表面转折阻断电压提高8.4%,有效阴极面积增加9.2%。极大地改善并提高了晶闸管表面阻断特性和通流能力,可靠满足国家电网直流输电工程特大容量特大功率输电线路换流阀的应用要求。
参考文献:
[1]王正鸣,陈黄鹂.最新特高压晶闸管[J].电力电子技术,2016(8):24-25.