【中文摘要】 通过作者最近建立的关于电力半导体器件 GAT的集电结耗尽层电位分析和电场分布的二维解析模型定量研究了 GAT的雪崩击穿特性 ,并且定量解释了该器件实现高击穿电压与高电流增益兼容的实验结果。 
【英文摘要】 By the aid of the two dimensional analytical model [5] of the electric potential and field distribution in power semiconductor GATs collector depletion space in a cut off state which was established by the writers lately,the GATs avalanche breakdown characteristics was investigated quantitatively,and the experimental results which concluded that the GATs can realize the compatibility between high breakdown voltage and high current gain,were...国家自然科学基金!( No.69896260-06 );国家高技术研究发展计划( 863-715-010 

庄宝煌

朱梓忠

李开航

黄美纯

Xiamen University Institutional Repository

GAT实现高电流增益与高雪崩击穿电压兼容特性分析庄宝煌　黄美纯　朱梓忠　李开航(厦门大学物理学系, 361005)19990430收稿, 19991025收改稿摘要: 通过作者最近建立的关于电力半导体器件 GAT 的集电结耗尽层电位分析和电场分布的二维解析模型定量研究了 GAT 的雪崩击穿特性,并且定量解释了该器件实现高击穿电压与高电流增益兼容的实验结果。关键词: 功率器件;联栅晶体管; 电流增益;雪崩击穿电压; 兼容性中图分类号: T N320. 7　　文献标识码: A　　文章编号: 1000-3819( 2000) 02-0206-06An Analysis of GAT s Compatibility Between HighCurrent Gain and High Avalanche Breakdown VoltageZhuang Baohuang　Huang Meichun　Zhu Zizhong　Li Kaihang(Dep t. of Phy s. , X iamen Univ . , 361005, CH N )Abstract: By t he aid o f the tw o-dimensional analy tical model[ 5]o f the elect ric pot ent ial andfield distr ibution in power semiconducto r GAT s co llector depletion space in a cut -o ff st ate w hichw as established by the w riters lately , the GAT s avalanche breakdow n character istics wasinvestigat ed quantit ativ ely , and the exper imental r esults which concluded t hat the GATs can rea lizethe com patibility between high breakdown vo ltag e and high curr ent g ain, wer e expla inedquantit ativ ely .Key words: power device;GAT; current gain; avalanche breakdown voltage ; compatibilityEEACC: 25601　GAT 栅屏蔽效应二维解析模型[3]简介Kondo H 和 Yukimoto Y 提出了一种称为GAT ( Gate associated t ransistor)的晶体管[ 1]。目前国内已有对 GAT 的研制报告[ 2]。然而,由于至今关于 GAT 的理论都采用一维分析或者定性分析, 为了深刻理解 GAT 的工作机理并为今后提供定量优化设计 GAT 创造条件,本文第20卷　第2期2000年 5月　　　　　固体电子学研究与进展RESEARCH & PROGRESS OF SSE　　　　　　Vo l. 20, No . 2May . , 2000本文得到国家自然科学基金( No. 69896260-06)和国家高技术研究发展计划( 863-715-010)的资助将在《GA T 栅屏蔽效应二维解析模型》[ 3]的基础上定量分析 GAT 的雪崩击穿特性并且定量解释该器件实现高雪崩击穿电压与高电流增益兼容的实验结果。功率器件 GAT 横断面如图 1所示。当集电结反偏电压V cb大于夹断电压 V p 时,集电区耗尽层夹断[ 1]。其中V p =q N-c D22 s( 1)夹断后单元 GAT 集电区耗尽层形状近似为“凸”字形,选取平面直角坐标如图 2所示。则由文献[ 3]得该“凸”字形内之矩形区域A BC1D 1的电位分布和电场分布为式( 2a)、式( 2b)。图 1　条型结构 GATF ig . 1　The GAT w ith st rip str uctur e　图 2　“凸”字形 GAT 集电结耗尽层Fig . 2　The convex shape of GAT s collect or depletion space( x , y ) = V cb -y2W c2 +yW H1 +W H2W c2 + ∑∞n= 1anch( n x /W H)ch( n D /W H)sinn yW H( - D ≤ x ≤ D , 0≤ y ≤ W H)　　　( 2a)E( x , y ) = - xE oc∑∞n= 1ann2W cW Hshn xW Hchn DW Hsinn yW H- yEocW c2+ W H22W cW H-yW c- yE oc∑∞n= 1ann2W cW Hch n xW Hchn DW Hcosn yW H　( - D ≤ x ≤ D , 0≤ y ≤ W H) ( 2b)　　图 1中, L 为浓基区 P+ 阱突入集电区的深度, 2·D 为两相邻单元阱之间的间距, 2·W G为阱宽, W H为集电区耗尽层厚度, W ep为外延层厚度。N e, N-b , N+b , N-c , N+c 分别为发射区、淡基区、浓基区、外延层以及衬底的掺杂浓度。它们满足 N e N-b , N+b N-b N-c , N+c N-c 。工艺上它们的数量级一般为 N-c ～1014 cm- 3 , N-b～1017 cm- 3 , N+b～1019cm- 3 , N e～1020cm- 3 , N+c～1020 cm- 3。这里 W c、E oc及无量纲系数 an分别为W c=2 sV cbqN-c　　　　　　　 ( 3)2072 期 庄宝煌等: GAT 实现高电流增益与高雪崩击穿电压兼容特性分析Eoc=2V cbW c≡2qN -c V abs( 4)an=- 4( n ) 3W H2W c2 + ( - 1)n W H2(W H - L ) 2-W H2W c2 +　4( n ) 3W H2(W H - L ) 2co sn LW H-4( n ) 2W HW H - Lsinn LW H( 5)并且由电场边界条件有关系式　　∑∞n= 1ann ( - 1) nch( n D /W H) =W H2 - W c2W c2 ( 6)这里, W c、E oc分别为相同工艺设计及反偏电压V cb下 GAT 所对应的常规器件 BJT 的集电区耗尽层厚度和一维集电结最大电场的绝对值[ 3]。x, y 分别为 x、y 方向的单位矢量。式( 5) , ( 6)完全确定了常量W H 和an( n= 1, 2, 3, ⋯)。必须指出,当 L = 0时,由于W H= W c,故由式( 5)知, an= 0,此时GAT 的二维解自然退化为常规器件 BJT 的一维解[ 4] !2　GAT 的雪崩倍增因子及其“雪崩击穿电压与电流增益兼容特性”[ 1, 2]定量分析　　GAT 的最大集电极电压由式( 7)给出[ 5]。M ( V cb) = 1 ( 7)这里, 是器件的共基极电流增益(对应的共射极电流增益为 =1-) ,集电极电压V cb的函数M ( V cb)是集电结耗尽空间的倍增因子。当雪崩由电子倍增引起时, M ( V cb )由式( 8)给出[ 6]。M n( V cb ) =11 -∫W0n exp[∫y0( p - n) dy ] dy( 8)当雪崩由空穴倍增引起时, M ( V cb )由式( 9)给出 [ 6]。M p( V cb ) = 11 -∫W0p exp[∫y0( n - p) dy′] dy( 9)这里, W 是耗尽层厚度(对于 GAT 来说W取 W H,对于BJT 来说W 取W c)。n、p分别是电子和空穴的离化率, 它们分别由式( 10)和( 11)给出 [ 7]。n = 3. 8× 106 exp( - 1. 75× 106/ E ) cm- 1 ( 10)p = 2. 25× 106exp( - 3. 26× 106/ E ) cm- 1( 11)这里, E 是 GAT 或其所对应的常规器件 BJT 的集电结耗尽层的电场在图 2中直线 OO 2上的分布。E 和V cb的关系由式( 12)给出。V CE =∫Wc0E0 ( y ) dy　或　V CE =∫WH0E ( y ) dy　( V CE ≥ V p ) ( 12)　　在下列近似下计算 GAT 及其所对应的常规器件 BJT 的倍增因子。1)倍增是由从基区注入的电子所引起,忽略由空穴引起的作用。电子被垂直于基区-集电区界面的电场加速。采用单边突变结近似,因而 GA T 和BJT 的集电结耗尽层仅仅在集电区扩展。2)常规器件 BJT 的基区-集电区界面近似为平面, 垂直于该界面的电场由式( 13)给出。208 　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　20卷E0 ( y ) = qsN-c (W c - y ) ≡ Eoc( 1 - yW c) , 　0≤ y ≤ W c ( 13)这里, y 是离开基区-集电区界面的距离。3) GAT 的垂直于基区-集电区界面的电场E ( y )由式( 2b)令 x= 0给出,即 E( y ) = - E ( 0,y )·y , 0≤y≤W H,结合式( 2b)令 x= 0有式( 14)。E ( y ) = EocW c2+ W H22W cW H-yW c+ E oc∑∞n= 1ann2W cW H1chn DW Hcosn yW H　 0≤ y ≤W H　　( 14)　　这样就给出了式( 10)和( 11)中的电场分布, 对于 GAT 来说 E 取式( 14)之 E ( y ) ,对于常规器件 BJT 来说E 取式( 13)之 E0 ( y )。必须指出, 当L = 0时由式( 5)和( 6)有, W c= W H, an= 0( n= 1, 2, 3, ⋯) , 故此时式( 14)即退化为式( 13) ,这说明常规 BJT 器件乃是 GA T 器件的一种特殊情况( L = 0)。另外,容易证明式( 13)和( 14)自然满足式( 12) ,所以式( 12)不是独立的。由式( 3)～( 6) , ( 8) , ( 10) , ( 11) , ( 13)和( 14)共九个式子就可以计算 GAT 及其所对应的常规器件 BJT 的雪崩倍增因子与集电极电压的依赖关系,计算机辅助分析的计算结果如图 3所示。图 3　GAT 和常规器件 BJT 的雪崩倍增因子与外加电压的关系　Fig. 3　A calculated r elation betw een the multiplication facto r and t he applied voltag e in a GATand a conventional tr ansistor共基电流增益 和倍增因子 M ( V CE)满足式( 7)所对应的集电极电压 V CE就是两种器件的2092 期 庄宝煌等: GAT 实现高电流增益与高雪崩击穿电压兼容特性分析集电结雪崩击穿电压 BV cbo, GAT或 BV cb o, BJT (图 3中直线 M =1分别与曲线 Mn, GAT ( V cb)～V cb以及曲线 Mn ,BJT( V cb )～V cb的交点)。必须指出, 计算 Mn, GAT( V cb )～V cb所采用的电场 E ( y )成立的条件是 V cb≥V p ,这里 V p=qN-c D22 s 为夹断电压。定义电压放大因子BV为BV =BV cbo, GATBV cb o, BJT( 15)BV越大说明栅屏蔽效应越强,显然有 BV= 1, L = 0> 1, L > 0( 16)从图 3可以看出,当 GAT 及其所对应的常规器件 BJT 的外加集电极电压相同时, GA T的倍增因子明显的比BJT 的倍增因子小。另外,由式( 7)和图3可以得到结论,当 GAT 及其所对应的常规器件 BJT 具有相同的电流增益时, GAT 的最大集电极电压 BV cbo, GAT比 BJT 的最大集电极电压 BV cbo, BJT大。因此,在相同的工艺参数条件下可以设计得使 GAT 的电流增益和雪崩击穿电压同时大于其所对应的常规器件 BJT 的电流增益和雪崩击穿电压——这就是所谓的GAT 的“雪崩击穿电压和电流增益兼容特性”。这里可以定量说明如下, 在图 3中,直线V cb= BV cbo, BJT与曲线M n, GAT ( V cb )～V cb和曲线M n, BJT ( V cb)～V cb的交点纵坐标分别为 M1=11和M 2=12, 显然 M 1< M 2或 1> 2, 因此当 GAT 的电流增益设计得使 1> GAT > 2= BJT时,GAT 的雪崩击穿电压必将大于 BJT 的雪崩击穿电压,即 BV cbo,GAT> BV cbo, BJT, 这种现象是常规器件 BJT 没有的,众所周知常规器件 BJT 的电流增益和雪崩击穿电压在工艺和结构参数的设计上是矛盾的或者说是设计上不兼容的——电流增益或雪崩击穿电压任意一个参数设计上增大都将导致另一参数设计上不可避免地减小。3　结　论文献[ 1, 2]的实验结论即“GAT 能同时实现大电流增益和大雪崩击穿电压”在本文中得到很好的定量分析, 该模型将为设计高反压大电流 GAT 功率器件提供参考。参 考 文 献1 　 Kondo, H, Yukim oto Y . A new bipolartr ansistor—GAT . IEE E Trans, ED , 1980; 27( 2) : 373～3792　邹德恕, 亢宝位, 杜金玉等. 一种优化设计的高频高压电力半导体器件. 半导体技术, 1996; 21( 6) : 29～323　庄宝煌, 黄美纯,朱梓忠等. GAT 栅屏蔽效应二维解析模型, 固体电子学研究与进展, 2000; 20( 1) : 53～594　浙江大学半导体器件教研室.晶体管原理. 北京:国防工业出版社, 19805　Sze SM . P hy sics of Semicond uctor D evices, NewYork: W iley, 1969; 2796 　 Bu lucea CD, Pr isecar u DC. T he calculat ion of th eavalan che mul t iplicat ion factor in silicon p-n junct ionstaking into accoun t th e car rier g enerat ion ( thermal oropt ical ) in th e space charge r egion. I EEE Tr ans, 1973;ED-20( 8) : 692-7017 　 Sze SM , G ibbons G . Avalanche breakdownvoltag e of abrupt and linea rly g raded p-njunctions in Ge, Si, GaAs, and GaP. App l Phy sL ett, 1966; 8( 3) : 111～113210 　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　20卷

An Analysis of GATs Compatibility Between High Current Gain and High Avalanche Breakdown Voltage

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/9604/GAT%e5%ae%9e%e7%8e%b0%e9%ab%98%e7%94%b5%e6%b5%81%e5%a2%9e%e7%9b%8a%e4%b8%8e%e9%ab%98%e9%9b%aa%e5%b4%a9%e5%87%bb%e7%a9%bf%e7%94%b5%e5%8e%8b%e5%85%bc%e5%ae%b9%e7%89%b9%e6%80%a7%e5%88%86%e6%9e%90.pdf?sequence=1&isAllowed=y

An Analysis of GATs Compatibility Between High Current Gain and High Avalanche Breakdown Voltage

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Xiamen University Institutional Repository