高速大功率半导体开关RSD的开通特性研究

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RSD(Reversely Switched Dynistor)器件是一种高速、超大功率半导体开关,具有阻断电压高、通流能力强、高dI/dt、使用寿命长和重复率较高的特点,是现代脉冲功率系统中开关器件的理想选择之一。基于特殊的等离子层触发模式,在整个器件面积上实现均匀同步开通,克服了晶闸管器件在导通过程中电流局部化的缺陷,提高了器件的通流能力,还具有纳秒级的开通速度,能满足脉冲功率系统对功率和速度的双重要求。本文通过深入研究RSD的工作原理,推导出RSD完全开通时,器件结构参数和外电路需满足的条件。只有当反向预充电荷量大于一临界值时,RSD器件才能工作在准二极管模式并实现均匀开通。进一步的研究还表明:为了有效地建立等离子库,需降低临界预充电荷量并保证P1层的注入电流大于抽取电流。减小p发射极的注入、减小p基区宽度以及提高其掺杂浓度都有助于RSD的大面积均匀同步导通,并为大量的测试结果所证实。开通电压是半导体开关器件的重要特性参数,其大小决定了器件功耗。文中理论推导得到RSD开关最大开通电压的计算公式,从中发现,减小RSD基区宽度、减小开通电流密度、尽可能降低衬底的电阻率,将显著减小最大开通电压。同时,理论分析和实验结果都表明,预充时间与磁开关延迟时间的不协调会引起开通电流的局部化,导致最大开通电压大幅增加。RSD良好的开关特性,使它在脉冲功率技术中具有广阔的应用前景,为使器件早日实现批量生产并走向市场,本文还研究了RSD的工艺并试制了多批样品。实验中,对不同阳极版图和形成阳极p+层的工艺进行了有益探索,实验结果对RSD的生产具有指导意义。
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