静电感应晶体管
静电感应晶体管(SIT)
第4章 4-5 其它新型电力电子器（MCT）
• 1、MCT的工作原理 • 1）结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新
型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET其元胞 有两种结构类型，N-MCT和P-MCT。 ➢ 三个电极：栅极G、阳极A和阴极K。
图1.8.6 P-MCT的结构、等效电路和符号
➢ IGCT ：（Integrated Gate-Commutated Thyristor）
也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）。
20世纪90年代后期出现。结合了IGBT与GTO的优点， 容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而 复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；
电源等领域； ➢ 缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；
第1章 4-5 其它新型电力电子器（SITH）
1、SITH的工作原理 1）结构：在SIT的结构基础
上再增加一个P+层即形成 SITH的元胞结构；三极： 阳极A、阴极K、栅极G。
2）原理： SITH为常开器件：栅极开路，在阳、阴极之间加正向电
压，有电流流过SITH； 在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，A-
第1章
4-5缓冲电路
➢中、小功率开关器件GTR的缓冲电路。
➢ GTR关断过程： 流过负载ＲL的电
流经电感LS、二极管ＤS给电容ＣS充电， 因为ＣS上电压不能突变，这就使GTR在 关断过程电压缓慢上升，同时也使电压上
升率du／dt被限制。
➢ GTR开通过程：一方面ＣS经ＲS、
ＬS和GTR回路放电减小了电流上升率di ／dt ，另一方面负载电流经电感ＬS后受 到了缓冲，避免了开通过程中GTR同时
复合结构静电感应晶体管的终端造型
甘肃
兰州
７００ ） ３ ０ ０
要】 为了克服几何形状 （ 曲率效应 ） 成的边角电场对平面扩散结击穿性能的劣化效应 ， 造 对应 ， 使结边界处的耗尽层宽度反窄化效应而展宽， 以分散电力线并降低表面电场。
【 关键 词】 复合 结构 Ｓ 限场环； 断环 Ｉ Ｔ； 切
一
成 简化 了制造工艺 ， ， 提高了成品率 。 兼有表面栅 和隐埋栅 的特点 。 复 合结 构 Ｓ Ｉ Ｔ的栅压可正 可负 ． 既可 以工作在 正向导通状 态 ． 也可 以工 作在正 向阻断状态。 器件可 以做成常闭型也可以做成常开 型。 但由于
源 （ 扩散层和栅区 以及沟道 区存在一定程度 的杂质 补偿 ， 阴） 其主要缺 点是栅一 （ 击穿 电压不高。 源 阴）
Ｉ Ｇ
Ｖｉ
，
ｉ８０ × ２ ＋ 一ｌ ＋ ×＋ １ 户 ｄ ｝ １１ ： ｎ ｉ
Ｌ ， ｔ ‘ Ｊ
（ ） 式１
其 中， 为 ｎ区的轻掺杂浓度。 一
相邻环 间距为 ：
＾
．
／ ■—— —— ——
图 １ 复合栅结构 ＳＴ Ｉ
ｄ Ｖ‘２５ ”ｖＪ ｒ ｉ 十９‘ Ｄ／。 ． ＝ｒ ｉ 口 一
ｒ Ｔ Ｔ ２ １
０ 引 言
静 电感 应晶体管 （ｒ） 唯一具 有类三 级管特性 的半导体器件 ， ｓｒ是 般 为常开 型器件［１ ｔ。其注入功耗低 、 容量大 、 － － ５ 功率 工作频率高 、 热稳 定性好 、 抗辐射能力强 ， 可广泛用 于高速 、 、 高压 低功耗场合。 根据栅体 结构 、 分布和制造工艺的不同 。 电感应器件可分 为： 静 埋栅 、 面栅、 表 复 合栅 、 绝缘盖栅 、 槽栅和双栅等结构。 这些结构的共 同特点是都具有垂 直沟道 ． 且沟道被栅体 环围在 中间 ． 源极 区和漏极区分别位 于芯片的 上下两个表面 。 这种布局有利于高耐压 、 电流设计 ， 大 是电力电子器件 通用 的布局方式 。 复合结构 ＳＴ（［ １ 的源 区ｆ Ｉ ￣Ｉ ） 图 阴极 区） 由大面积平面扩散方 法形
BSIT双极静电感应晶体管
BSIT双极静电感应晶体管——电子节能灯用管的最佳选择目前我国经济的快速发展与能源匮乏之间的矛盾日益突出。
照明作为电力消耗的大户，其节能技术的发展对于缓解能源紧张状况具有重要作用。
现在节能灯作为照明节能的重要手段正被各行业普遍采用。
相应的如何降低节能灯的使用成本也成为节能灯推广的关键性为题所在。
节能灯的使用成本主要集中在如何提高节能灯的使用寿命和灯的照明效率这两点上。
而作为节能灯的关键部件之一，节能灯用晶体管的正确选用对灯的寿命和照明效率有着重要影响。
我们知道，晶体管在电子节能灯中作为振荡和功率开关器件，其性能和质量的好坏对电子节能灯的寿命有着决定性的影响，同时也是该产品成本的重要组成部分。
根据我们的试验和研究，有以下几点看法：1、电子节能灯是一种高温工作的民用产品，有时使用的温度环境十分恶劣，因此只有采用具有良好高温性能的器件才能最大限度的延长灯的使用寿命。
目前传统方法是采用双极晶体管（如3DD1300系列），该器件具有正温度系数，即电流放大倍数随着温度的升高而增大，如果选用型号时不留有较大的余量，很容易造成恶性循环而产生热击穿，降低灯的使用寿命，如果加大选用余量则意味着提高采购成本。
而BSIT和场效应晶体管的放大倍数具有负温度系数特性，即在高温段放大倍数随着温度的升高而变小，有一种自我平衡的能力，非常合适在高温下工作。
高温试验表明在密闭容器中用60W白炽灯加热，采用双极晶体管的灯失效后（晶体管失效），继续给采用同档次BSIT的灯加热直到灯灭，经检查是线路板焊锡熔化，BSIT产品仍然完好，充分显示了其高温工作稳定可靠的优点。
2、电子节能灯是一种高效并在较高频率下工作的民用产品，在该频率段，对器件而言，器件的损耗基本是交流和直流各占一半，因此既需要快的开关速度也需要低的导通压降（小的导通电阻）。
传统双极晶体管虽然有低的导通压降，但难以得到快的开关速度，会产生较大的交流损耗。
而对于场效应晶体管，虽然有快的开关速度，由于导通电阻大，会产生较大的直流损耗。
静电感应晶体管的研究与仿真
静电感应晶体管的研究与仿真静电感应晶体管的研究与仿真引言：随着科技的不断发展，晶体管作为电子元器件中的重要组成部分，起到了至关重要的作用。
而静电感应晶体管作为晶体管的一种新型结构，以其具备的优异性能在研究和应用领域备受关注。
本文将从静电感应晶体管的基本原理入手，探讨其研究与仿真的进展，并展望其在未来的发展前景。
一、静电感应晶体管的基本原理1. 导电层与绝缘层的结构静电感应晶体管主要由导电层与绝缘层构成。
导电层通常由金属材料制成，而绝缘层则由高介电常数的材料制成。
2. 静电感应效应当静电场作用于静电感应晶体管时，导电层表面会积聚异号电荷，而绝缘层内部则会形成电位差。
这种静电感应效应可以控制晶体管的导通和截止，实现电流的调节。
3. 工作原理当静电场的强度达到一定值时，绝缘层中的电场会导致导电层表面的电子发生临界跃迁，从而改变晶体管的电导性能。
这种静电感应效应使得晶体管能够灵敏响应外界电场变化，并实现快速开关功能。
二、静电感应晶体管的研究进展1. 结构优化研究者们通过调节导电层和绝缘层的结构，改进晶体管的响应速度、稳定性以及功耗等性能指标。
新型导电和绝缘材料的应用使得静电感应晶体管具备了更高的灵敏度和更低的能耗。
2. 理论模型搭建为了更好地理解和分析静电感应晶体管的工作机制，研究者们建立了相应的理论模型。
这些模型通过数学方程的形式，描述了晶体管在不同电场作用下的导通行为，并为后续仿真提供了理论依据。
3. 仿真研究借助计算机仿真技术，研究者们能够模拟和评估各种静电感应晶体管结构的性能。
通过改变电场的频率、强度等参数，仿真结果可以反映晶体管的响应特性以及性能优劣，为实验设计提供指导。
三、静电感应晶体管的应用前景1. 传感器领域静电感应晶体管的灵敏响应特性使其成为一种理想的传感器。
通过测量外界电场变化，可以实现对温度、湿度、光照等环境参数的监测。
其快速响应和低能耗特点使其在物联网和智能家居等领域具备广阔的应用前景。
全控器件MOSFET和IGBT
+ + + N + N N N P P J N 3 J 2 + N + J P 1
•
漂 移 区 缓 冲 区G 注 入 区
C I C + V I R J1 D N C - + + G I R D o n E b ) c )
2
一、电力场效应晶体管
1. 电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型 —— 当栅极电压为零时漏源极之间 就存在导电沟道。 增强型 —— 对于 N （ P）沟道器件，栅极电 压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。
6
电力场效应晶体管
7
一、电力场效应晶体管
电力MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
–
P基区与 N漂移区之间形成的PN结 J1反偏，漏源极 之间无电流流过。 当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型 层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和 源极导电 。 S D D
3
一、电力场效应晶体管
电力MOSFET的结构
S G
+ N + N P + N + N P 沟 道 N + N
D
D
G S N 沟 道
G S P 沟 道 b )
D a ) 图 1 1 9
图15-1 电力MOSFET的结构和电气图形符号
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
漏极电流ID和栅源间电压 UGS的关系称为MOSFET 的转移特性。 ID较大时，ID与UGS的关系
宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望
Ｐｏｗｅｒ
ａｎｄ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ
ＺＨＡＮＧ Ｂｏ，ＤＥＮＧ Ｘｉａｏ－ｃｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｕ—ｒｌｌｎ，ＬＩ Ｚｈａｏ－ｊｉ （Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
第２期 ２００９年４月
中国露；料譬研宪隍学板
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣＡＥＩＴ
Ｖ０１．４ ＮＯ．２ Ａｐｒ．２００９
宽禁带半导体ＳｉＣ功率器件发展现状及展望
张波，邓小川，张有润，李肇基
（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都６１００５４）
摘要：碳化硅（ＳｉＣ）是第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和器件制造水平最
美国ＤＡＲＰＡ高功率电子器件应用计划—— ＨＰＥ的目标有四个（如图１所示），即，大尺寸高质 量ＳｉＣ导电衬底和轻掺杂的厚外延材料生长技术； １０～２０ ｋＶ的ＳｉＣ功率器件（ＰｉＮ、ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ 等）制造技术；大功率ＳｉＣ器件的测试、可靠性和封
万方数据
装技术；集成ＳｉＣ功率器件模块的２．７ ＭＶＡ固态功 率变电站（ＳＳＰＳ，ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｂｓｔａｔｉｏ子和光电子领域Ｊ均研究热点。
２ ＳｉＣ功率半导体器件发展现状
２。１ ＳｉＣ功率整流器 功率整流器是功率半导体器件的重要分支，主
要包括肖特基势垒二极管（ＳＢＤ，ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉ— ｏｄｅ），ＰｉＮ二极管和结势垒肖特基二扳管（ＪＢＳ，ｊｕｎｃ— ｔｉｏｎ ｂａｒｒｉｅｒ ｓｅｈｏｔｔｋｙ ｄｉｏｄｅ）。
２１世纪初，美国国防先进研究计划局（ＤＡＲ— ＰＡ）启动的宽禁带半导体技术计划（ＷＢＧＳＴＩ，ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ），成为加 速和改善ＳｉＣ、ＧａＮ等宽禁带材料和器件特性的重 要“催化剂”，并极大地推动了宽禁带半导体技术的 发展。它同时在全球范围内引发了激烈的竞争，欧 洲ＥＳＣＡＰＥＥ和日本ＮＥＤＯ也迅速开展了宽禁带半 导体技术的研究。
电力电子器件的最新发展现状
静电感应晶体管 SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小旳负栅压 时，沟道区已全部耗尽，呈夹断状态，接近源极一侧旳沟道中出现呈马 鞍形分布旳势垒，由源极流向漏极旳电流完全受此势垒旳控制。在漏极 上加一定旳电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高,越大,亦即 SIT旳源漏极之间是靠漏电压旳静电感应保持其连接旳,所以称为静电感 应晶体管。
13
和双极型晶体管相比,SIT具有下列旳优点：①线性好、噪声小。用 SIT制成旳功率放大器,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。②输 入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。③SIT是一种无基区晶体 管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。④它是一种多子器件， 在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力 强。⑤无二次击穿效应，可靠性高。⑥低温性能好，在-19℃下工作正常。 ⑦抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。
电子技术旳开端。今后，晶闸管(SCR)旳派生器件越来越多， 到了70年代
3
已经派生了迅速晶ห้องสมุดไป่ตู้管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半 控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是因为晶闸管本身工作频 率较低（一般低于400Hz），大大限制了它旳应用。另外，关断这些器 件，需要逼迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。 全控型器件——第二代电力电子器件
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器件中是最高旳。另外，MCT可承受极高旳di/dt和du/dt， 使得其保护电路能够简化。MCT旳开关速度超高GTR,开关 损耗也小。
MCT曾一度被以为是一种最有发展前途旳电力电子器件 。所以，20世纪80年代以来一度成为研究旳热点。但经过十 数年旳 研 究 ，其关键技术问题没有大旳突破，电压和电流容 量都远未到达预期旳数值，未能投入实际应用。而其竞争对 手IGBT却进展飞速，所以，目前从事MCT研究旳人不是诸 多。
电力电子技术_MOSFET
增大VGS，可减小rCH和rjFET rD减小和提高耐压相矛盾。
Ron与器件耐压、温度关系： 器件耐压越高， Ron越大。随温度升高， Ron增大。
②开启电压VT：阈值电压 反型层建立所需最低栅源电压。
定义：工业上，在漏源短接条件下，ID=1mA时的栅极电压。 VT随结温Tj变化，呈负温度系数，Tj每增高45OC，VT下降10%， -6.7mV/OC。
缺点：V型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改 进：U型MOSFET。
缩短沟道电流路径降低导通电阻VUMOS
Si2O N+
P
G 栅极
S源源 极区基P区本栅沟极道层位底于
N+
部体区。
N+ 1019/cm3
P沟道体区
P即P区PN主1＋01体结6/与短cm源3路极。短PN路- 。
漂移区 衬底
N-
N可N掺 +-流组1杂 过成01浓 额4体/c定二度 m3电极流管。Db，
a) 转移特性 b) 输出特性
1-27
电力场效应晶体管的漏极伏安特性
截止区（对应于GTR的截止区）
饱和区（对应于GTR的放大区） 50 非饱和区（对应GTR的饱和区） 40
50 非 饱
40 和 区
UGS=8V
ID/A ID/A
30
工作在开关状态，即在截止区和
非饱和区之间来回转换。
20
30
饱和区 UGS=7V
N+ P
1-2
➢栅极正偏,<VT，形成耗尽层。
• 栅P间电场使P区空穴远离P区靠绝缘层侧， 余下带负电原子。形成耗尽层，少量自 由电子也向耗尽层移动，但数量很少不 能形成漏源电流。
静电感应晶体管(SIT)
也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）。
• 20世纪90年代后期出现。结合了IGBT与GTO的优点， 容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而 复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；
五、 其它新型电力电子器件
➢ 一、静电感应晶体管（SIT）
➢ 它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输 入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优 点；
➢ 广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的高 频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、大功率 中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术 等领域。
第1 4-5 其它新型电力电子器（SITH）
2、SITH的特性：
• 栅极负压-UGK可控制阳极电流关断，已关断的 SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。 • SITH 为场控双极器件，其动态特性比GTO优越。其 通态电阻比SIT小、压降低、电流大，但因器件内有大量 的存储电荷， 所以其关断时间比SIT要长、工作频率要低。
的恶性循环；T0C ↑→ID↓ ➢ SIT的漏极电流通路上不存在PN结,一般不会发生热不稳定 性和二次击穿现象,其安全工作区范围较宽； ➢ 栅极驱动电路简单：关断SIT需加数十伏的负栅压-UGS；导
通时，也可加5～6V的正栅偏压&#
4-5 缓冲电路
➢ 1）原因： 电力电子器件断态时承受高电压，通态时承载大电
流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、 过流、过大的du／dt和di／dt 以及过大的瞬时功率。
➢ 2）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使器件 工作点超出安全工作区而损坏器件。
高频炉原理3
1 概述由于感应加热电源是热处理的重要设备，其控制方案历来备受关注。
由于热处理现场作业条件复杂，干扰因素较多，在设计时要尽量减少干扰源和减弱或消除外界干扰对系统的影响，因此，根据实际情况控制方案不停地在改进中。
感应加热电源逆变器按其负载补偿电容所处的位置不同，可分为电流型逆变器和电压型逆变器。
电流型逆变器具有电路结构简单，电源运行可靠，对负载适应能力强及过流保护容易等优点，图1即是电流型逆变电路的拓扑。
对于电流型电路而言，首先要防止逆变器的瞬间开路；其次是选取适当定时或定角的超前触发方式；最后，要求逆变器具有较宽的启动频率范围。
图1 电流型感应加热电源拓扑2 控制方案的原理和改进逆变器的控制框图如图2所示。
其中V o为逆变器的输出电压信号，经过峰值检测，与控制给定值比较产生切换装置的切换信号X1，当X1为高电平时，切换装置输出信号X2与它激信号接通，逆变器工作在它激状态，控制信号从它激信号发生器发出，电路工作频率固定，且由它激信号发生器控制；当X1为低电平时，X2与自激信号接通，逆变器工作在自激状态，电路工作频率由负载本身的固有频率决定。
根据锁相环的闭环滤波功能，在锁相环反馈电路中进行延时，用来补偿系统的固有延迟，调节延迟时间t d，逆变器既可以工作于感性状态，也可以工作于容性状态。
图2 逆变器控制电路框图3 逆变器瞬间开路的防止与转换的平滑过渡以全控型器件作为开关的逆变器的控制通常采用他激转自激的控制策略，即在开机或是负载电压低于阈值V co时采用开环的定频控制，工作于他激状态；而当输出负载电压大于阀值V co时进行自动切换，使逆变器工作于频率闭环,跟踪负载频率的变化。
但是这种控制方案存在这样的问题：由于它激信号和自激信号不可能总是同步的，因此，在切换过程中多数情况下会产生窄脉冲（低电平），这个窄脉冲不可避免地造成逆变器的瞬间开路；另外，现场的实际运行环境较差，通常都是在恶劣的电磁环境中工作，这种控制方案对于外界的抗干扰性能很差，不能满足系统的抗干扰的要求。
DX421系列硅双极模式静电感应晶体管(BSIT)
器件 适 用于高 频开关 电源 和 汽 车 电子 点火 器及 作 为功率 开关
T
该器 件在 工作 原理及 结构设 计 上均有新 的
,
因 而该 器件 不仅具 有场 效 应管 工作频 率
,
输 出功率 大
,
无 二 次 击穿
,
电流负温度 系
,
格 比优 于 B J 等奖 选用
,
服
在
T
3oK
一
s o oK H
z
Dx 4
1 2
系 列 硅 双 极 模 式
静 电 感 应 晶 体 管
I Bs新 型功率 开关 器件 在 国际 上 BI s 仅 在 日本 有产 品 销售 突破 高
, 。
,
镇流 器可提 高镇 流 器 的性 能 和 可 靠性 直 流 电机 调速 和 各类 逆变 系统 器件
,
。
。
SA
,
1 OA
频 段 内其 性 能价
与
v DM
s O
。
数 等优 点 而 且具有 双极 管饱 和 压 降小 的特 点 被 誉 为新一代 的 电力 电子器件
目前 6 0
0v
, 。
上 述器 件
。
1990
年 荣 获 机 电部 科 技 进 步 二
,
目前 在 电子 部 3 1 所均 有批 量生 产
欢迎
IA
,
ZA
器 件 用 于 荧光灯 电子
单 位 名称 所 地
134
:
电子部 第十 三研 究所 毕 克允
1 号 河 北 石 家庄 合作路 3
电
话
:
:
7 4 1 9 2 1一 2 9 1 1166 05 005 1
P型静电感应晶体管的版图设计
P型静电感应晶体管的版图设计器件的版图设计就是在一块掩膜板上根据器件的工艺顺序和横向结构设计出确定器件各个结构的图形和尺寸的图案。
对于静电感应晶体管，主要包括其源区、栅区和金属电极的形状、大小和位置。
此外器件的沟道可以设计成网状，也可以设计成条状结构，网状结构的器件利于大电流工作，而条状结构则适合高频工作[9,10]，本实验采条状沟道。
设计器件的版图首先得确定器件有源区的形状，采用矩形、圆形或是其他多边形。
矩形结构简单，可以增大电流容量，但该结构器件的耐高压性能差；圆形和多边形结构虽然耐高压性能好，但是这两种结构的结构较为复杂，而且对晶圆利用率比较低[9,10]，本实验采用矩形有源区设计。
本实验对源电极采用源金属大面积覆盖的“扩展源电极”的设计方式。
从工厂生产出的硅片实际已经包含了外延层，因此本实验对器件的的版图介绍从有源区生长开始。
下面按照器件的工艺顺序依次给出各流程的版图。
4.1L栅源窗口同时刻蚀版1如图4.1所示为该光刻板的版图布局。
在外延层上淀积生长氧化层后利用该版图和对应的光刻技术将外延层表面的相应刻蚀掉，从而打开栅区和源区的注入窗口。
图4.1 栅源同时光刻板图的全局图（左）和局部放大图（右）版图的有源区呈矩形，栅区和源区交错排列。
源条的宽度1.5m μ，长度140m μ，栅条的宽度1.4m μ，长度160m μ，栅条与源条相距3.05m μ，源条和栅墙相距10m μ，栅墙的宽度是12m μ，下端栅墙距电极区10m μ，栅墙宽度为1500m μ。
采用栅源窗口同时刻蚀，保证了栅源窗口的间距，单方面克服了器件制作的工艺误差。
4.2 2L 、3L 栅区和源区注入版利用光刻板打开栅区和源区窗口后，就可以分别利用离子注入的工艺生成栅区和源区。
由于栅源区的离子注入的粒子极性，注入剂量和注入时间等参数存在很大的差异，所以它们的注入工艺是先后分开的。
2L 栅区的注入光刻版图如图4.2所示。
图4.2 栅区光刻版图的全局图（左）和局部放大图（右）栅区光刻板用于曝光打开栅区窗口，为了便于磷杂质充分注入，打开光刻胶窗口的宽度要大于1L 光刻板打开氧化层的窗口宽度，这样做也可以减少因为对版偏差而引入的离子注入误差。
MOS管和IGBT模块的测试方法
MOS管和IGBT模块的测试方法MOS管（MOSFET）的测试方法:场效应管,如果已知型号与管脚,用万用电表测G（栅极）和S（源极）之间,G与D（漏极）之间没有PN结电阻,说明该管子已坏.用万用电表的R×1kΩ档,其表棒分别接在场效应管的S极和D极上,然后用手碰触管子和G极,若表针不动,说明管子不好;若表针有较大幅度的摆动,说明管子可用.另外:1、结型场效应管和绝缘栅型场效应管的区别（1）从包装上区分由于绝缘栅型场效应管的栅极易被击穿损坏,所以管脚之间一般都是短路的或是用金属箔包裹的;而结型场效应管在包装上无特殊要求. （2）用指针式万用表的电阻档测量用万用表的“R×lk”档或“R×100”档测G、S管脚间的阻值,N结的正、反向阻值,此管为结型管.2、用万用表电阻档判别结型场效应管管脚一般用R×1k或R×100档进行测量,测量时,任选两管脚,测正、反向电阻,阻值都相同（均为几千欧）时,该两极分别为D、S极（在使用时,这两极可互换）,余下的一极为由于绝缘栅型场效应管在测量时易损坏,所以不使用此方法进行管脚识别,一般以查手册为宜.简单方法检测IGBT模块的好坏：l 、判断极性首先将万用表拨在R×1K 。
挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（ G ）。
其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。
在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（ C ）：黑表笔接的为发射极（ E ）。
2 、判断好坏将万用表拨在R×10KQ 档，用黑表笔接 IGBT 的集电极（ C ），红表笔接 IGBT 的发时极（ E ），此时万用表的指针在零位。
用手指同时触及一下栅极（ G ）和集电极（ C ），这时工 GBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站们指示在某一位置。
静电感应晶体管和静电感应晶闸管
静电感应晶体管和静电感应晶闸管静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）是两种构造与原理有许多相似之处的新型高频大功率电力电子器件，是利用静电感应原理控制工作电流的功率开关器件。
SIT和SITH具有功耗低，开关速度高，输入阻抗高，可用栅压控制开关的优点，在感应加热、超声波加工、广播发射等高频大功率装置以及逆变电源、开关电源、放电设备电源等新型电源的应用中具有很强的优势。
1.静电感应晶体管（SIT）图1a）为SIT的构造原理图，图1b）和图1c）分别为SIT和SITH的符号。
a）b）c）图1 SIT的构造和符号静电感应晶体管（SIT）是一种结型场效应晶体管，于1970年已开始研制。
SIT的构造如图1a）所示。
在一块掺杂浓度很高的N型半导体两侧有P型半导体薄层，分别引出漏极D、源极S和栅极G。
当G、S之间电压UGS=0时，电源US可以经很宽的N区（有多数载流子电子可导电）流过电流，N区通道的等效电阻不大，SIT处于通态。
如果在G、S两端外加负电压，即UGS<0，即图中半导体N接正电压，半导体P接负电压，P1N与P2N这两个PN结都加了反向电压，则会形成两个耗尽层A1和A2（耗尽层中无载流子，不导电），使原来可以导电的N区变窄，等效电阻加大。
当G、S之间的反偏电压大到一定的临界值以后，两侧的耗尽层变宽到连在一起时，可使导电的N区消失，则漏极D和源极S之间的等效电阻变为无限大而使SIT转为断态。
由于耗尽层是由外加反偏电压形成外静电场而产生的，通过外加电压形成静电场作用控制管子的通、断状态，故称之为静电感应晶体管SIT。
SIT在电路中的开关作用类似于一个继电器的常闭触点，G、S两端无外加电压UGS=0时SIT处于通态（闭合）接通电路，有外加电压UGS作用后SIT由通态（闭合）转为断态（断开）。
2.静电感应晶闸管（SITH）静电感应晶闸管（SITH）又称为场控晶闸管FCT（Field Controlled Thyristor），其通—断控制机理与SIT类似。
静电感应晶体管
结构形式
表面电极结构
埋栅结构
介质覆盖栅结构
埋栅结构埋栅结构是典型结构（图2），适用于低频大功率器件； 功率静电感应晶体管的符号
表面电极结构适用于高频和微波功率SIT;
介质覆盖栅结构是中国研制成功的，这种结构既适用于低频大功率器件，也适用于高频和微波功率器件，其 特点是工艺难度小、成品率高、成本低、适于大量生产。中国已研制出具有这种结构的 SIT器件有：400兆赫， 1～40瓦；1000兆赫,1～12瓦及1500兆赫，6瓦的SIT器件。另外，还制出600兆赫下耗散功率2.3瓦、噪声系数小 于3分贝的功率低噪声SIT。
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优点
和双极型晶体管相比，SIT具有以下的优点： ①线性好、噪声小。用SIT制成的功率放大器,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。 ②输入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。 ③SIT是一种无基区晶体管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。 ④它是一种多子器件，在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力强。 ⑤无二次击穿效应，可靠性高。 ⑥低温性能好，在-19℃下工作正常。 ⑦抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。
静电感应晶体管
一种结型场效应管单极型压控器件
01 简介
03 结构分析 05 优点
目录
02 详细说明 04 结构形式 06 发展历史
静电感应晶体管是一种结型场效应管单极型压控器件。它具有输入阻抗高、输出功率大、开关特性好、热稳 定性好以抗辐射能力强等特点。SIT在结构设计上采用多单元集成技术，因而可制成高压大功率器件。它不仅能 工作在开关状态，作为大功率电流开关，而且也可以作为功率放大器，用于大功率中频发射机、长波电台、差转 机、高频感应加热装置以及雷达等方面。SIT的产品已达到电压1500V、电流300A、耗散功率3kW、截止频率30～ 50MHz。
SITH静电感应晶闸管通态特性分析
SITH静电感应晶闸管通态特性分析摘要：静电感应晶闸管（Static Induction Thyristors）简称SITH，是20世纪70年代出现的一种新型半导体电力器件。
静电感应晶闸管（SITH）是一种依靠静电感应机制工作的功率半导体器件，即依靠栅偏压和阳（漏）偏压的静电感应作用控制沟道势垒高度从而实现器件的开通和关断。
相对于其它种类的功率半导体器件（如SCR、GTO、IGBT、VDMOS等），SITH最明显的特点是具有明确的阻断态和导通态，具有通态压降低（1.0~3.5V）开关速度快（0.5~1.5MHz）电流密度高（800A/cm2）功率处理能力强（10~15kVA）转换效率高（>90%）等一系列优点，兼顾了速度和功率两方面的要求，更适合于作为大功率开关器件使用。
这对传统的电力系统的效能提升、模式改造、以及民用节能具有重要的技术、经济意义。
关键词：SITH；通态特性；电学特性前言：本文主要研究了静电感应晶闸管（SITH）的器件结构、原理、参数及各种特性，并利用SGFramework和Origin软件重点模拟分析了静电感应晶闸管（SITH）的电学特性以及通态特性，给出模拟结果，并且和理论结果进行比较，阐述其作用机理。
针对SITH的导通态，提出并建立了类PIN作用模型，认为导通态的SITH其实质是一个由p+阳极－n-漂移区－n+阴极构成的一个PIN二极管，成功地解释了导通态低压大电流的特征。
其次还介绍了半导体器件模拟理论得相关内容。
一静电感应晶闸管（SITH）简介静电感应晶闸管（Static Induction Thyristor）简称SITH。
它属于双极型开关器件，自1972年开始研制并生产，发展至今已初步趋于成熟，有些已经商品化。
与GTO相比，SITH有许多优点，比如通态电阻小，通态压降低，开关速度快，损耗小，di/dt及du/dt耐量高等，现有产品容量已达1000 A/2500 V、2200 A/450 V、400 A/4500 V，工作频率可达100 kHz以上。
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静电感应晶体管静电感应器件自从七十年代产生以来，由于它自身特有的优势，在八十年代取得了迅速的发展。
在这期间出现了许多形形色色的静电感应器件，其中就有静电感应晶体管（SIT）、双极型静电感应晶体管（BSIT）、静电感应晶闸管（SITH）这三种比较有价值的器件，这类器件均具有噪声低，线性度好，失真小等优点，现已广泛应用于电子行业。
2.1 静电感应晶体管的基本类型由于SIT、BSIT、SITH是静电感应器件中有代表性的三种器件，在此对它们作以简单介绍。
1、静电感应晶体管（SIT）SIT作为唯一一种具有类三极管特性的半导体器件，一般为常开型器件。
主要有以下特点[4]：（1）是单极性器件，所以工作速度比较快；（2）栅极是利用pn结的反偏控制，沟道中没有来自栅极的少子注入，器件的高速开关特性优异；（3）器件是垂直沟道，相比于场效应晶体管，沟道更短更窄；（4）电压控制型器件，驱动功率小；（5）栅电阻小，高频信号损失小，因此高频特性优异；（6）无电流集中，所以耐击穿强度比较高。
2、双极型静电感应晶体管（BSIT）与SIT不同，BSIT工作在正栅压下，具有饱和类五极管特性，一般是常关型器件，与其他功率器件相比，具有以下优点[4]：（1） BSIT是多子导电器件，相比于双极型器件，稳定性更好；（2）与MOSFET相比，通态电阻较低；（3）与IGBT相比，稳定性好，工艺简单，关断时间短；（4）与GTO相比，关断时间短。
另外，BSIT在很宽的电流范围内都具有很高的电流放大倍数，能实现对大功率电路的控制。
3、静电感应晶闸管（SITH）与SIT和BSIT不同，SITH有常开型和常关型两种类型，它的结构相当于在SIT的阳极串联了一个二极管。
主要有以下特点[4]：（1）栅极也是应用pn结反偏控制的，所以器件的开关速度比较高；（2）导通沟道大部分为耗尽区占据，正向导通压降低；（3）电流电压容量大，阻断增益高，工作频率高。
2.2 静电感应晶体管的基本结构根据静电感应晶体管栅体结构、分布和制造工艺的不同，静电感应晶体管的基本结构可分为：埋栅型、表面栅型、复合栅型、介质盖栅型、槽栅型和双栅型结构等。
这些结构都具有垂直沟道，并且栅体分居在两边，沟道被栅体环绕在中间，源极和漏极分别位于沟道的上下两个表面上。
这种结构布局的器件具有高耐压，大电流的特性[3,5]。
下面简单介绍这几种基本结构的器件。
表面栅结构的结构[3,5]（如图2.1所示），它的栅区和阴极源区交错地分布在同一平面上。
该结构的栅区和阴极源区是利用平面扩散工艺形成的，而且栅极的制造还需要用到自对准工艺和局部氧化工艺，所以工艺难度较大，但是该结构C小，频率特性比较好。
这种结构对于细线条光刻的质量要栅阴极之间的电容GS求特别高，因此成品率比较低，所以只有在需要着重考虑频率特性的场合才采用这种结构。
图2.1 表面栅结构图2.2 埋栅结构埋栅结构（如图2.2所示）是利用二次外延技术把栅区和沟道区埋在外延层下面，再利用扩散的方法在外延去上面生长阴极源区。
这种结构的器件栅区和阴极源区分别位于不同的层面上，而且器件的源区面积比较大，够道小，能够得到BV。
但是埋栅结构器件的栅极因为更大的阻断增益，可以提高栅阴击穿电压GK埋在外延层的下面，所以要用到二次外延工艺和台面刻蚀工艺，这无形中增大了工艺的难度，而且要利用台面腐蚀的方法打开栅的引线孔，还会增大栅极的输入电阻，让该器件的频率响应变得较差。
复合结构[3,5]（如图2.3所示）是利用大面积扩磷的的方法形成阴极源区，避免了难度较大的二次外延工艺和台面刻蚀工艺，避免了气相外延中的自参杂效应，提高了成品率。
它是一种介于埋栅结构和表面栅结构之间的器件结构，兼有埋栅和表面栅的一些特点。
该结构由于阴极源区的扩散层和栅区以及够道区存在一定程度的杂志补偿，所以栅阴击穿电压低。
图2.3 复合栅结构图2.4 介质盖栅结构介质盖栅结构[3,5]（如图2.4所示）是在栅条表面上生长和并淀积SiO2，然后采用同步外延技术生长外延层，工艺难度比较大，但是该结构的栅源P-N结的面积小，大大降低了栅源电容。
因此，该器件的频率特性好，特别适合于制造超高频、微波器件。
槽栅结构[3,5]（如图2.5所示）是利用等离子体刻蚀、扩散、氧化、化学气相淀积等工艺，将栅区埋在具有一定深度的凹槽底面，再在山区上面生长SiO2层和多晶硅层，这种结构增大了栅极区和阴极源区的距离，减小了栅阴电容，极大地改善了器件的频率特性，提高了器件的栅阴击穿电压。
但是该结构的工艺难度比较大，因此很少使用。
双栅结构[3,5]（如图2.6所示）主要是对于晶闸管而设计出的一种结构。
普通结构的静电感应晶闸管作为开关应用时，栅阴极加负偏压。
但是该负偏压在建立势垒阻挡电子由阴极源区注入沟道以外，还会抽取沟道内的空穴，由于要满足电中性条件，阳极源区的空穴会继续注入到沟道中，复合沟道中的电子，因此，会导致器件的关断时间加长。
而双栅结构是利用离子注入工艺在靠近阳极源区的地方注入n 型的第二个控制栅极。
这样，该结构在开通时，电子和空穴同时由源区注入沟道中，大大缩短了器件的关断速度。
但是该结构的制造工艺比较复杂，精度要求很高。
图2.5 槽栅结构图2.6 双栅结构以上介绍的六种结构即为静电感应器件的常用的六中结构，它们各有自己的优点和缺点，也有许多相同之处。
2.3 静电感应晶体管的基本理论静电感应晶体管（SIT）不同于其它的不同于其他的电压控制型器件，比如结型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）。
SIT 工作时除过多子漂移区，其沟道是完全耗尽的，由势垒控制器件沟道的电流大小，而JFET和MOSFET器件的沟道中均充满了多子，由耗尽区的扩展控制器件的沟道电流的大小。
SIT与JFET和MOSFET相比最大的区别就是SIT的工作电流不饱和。
下面以n型沟道为主对SIT的工作原理和I-V特性作以详细的介绍。
2.3.1 静电感应晶体管的工作原理正如前面的介绍，静电感应晶体管有许多中不同的结构模型，在这里以最简单的表面栅型结构为例对静电感应晶体管的工作原理做以介绍。
如图2.7所示，为表面栅型n型沟道静电感应晶体管的平面结构图。
最右边n型重掺杂的区域是器件的阳极源区，对应的电极即为阳极，记为字母A，左边n型重掺杂的区域是阴极源区，对应的电极是阴极，记为字母K，中间轻掺杂的区域即为中性沟道区，上下两部分重掺杂的p型区是器件的栅区，对应的电极是栅极，用字母G表示。
在该模型的静电感应晶体管中，栅区为重掺杂硼的p型区，而中性沟道为轻掺杂磷的n型区。
这样，两边的栅区和中性区便形成了两个p n+-结，和JFET一图2.7 表面栅型n型沟道SIT的平面结构图样，这两个结也控制着该器件电流的大小，但是它的控制机理却和JFET严重不同。
JFET在零偏压状态下，栅极区和中性沟道所形成的p n+-结并没有将中性沟道夹断，在漏极加正偏后，电子就会通过沟道由源极向漏极运动，形成沟道电流，器件也就导通。
当栅源的反偏压加到一定程度时，器件的中性沟道区就会被夹断，使沟道中的电流饱和。
与JFET不同，SIT在栅阴零偏压下，器件的中性沟道区就被栅区和中性区的p n+-结产生的空间电荷区所耗尽，所以SIT并不是依靠耗尽区的扩张减小沟道有效面积来控制沟道电流的大小，而是通过加在栅阴极和阳极阴极的偏压在沟道中产生的势垒来控制沟道电流的大小。
图2.8 表面栅SIT沟道内的电力线分布前面说到SIT在栅源零偏压下靠近源区的沟道便被耗尽，这也是沟道中形成V，源极接地，栅极接负势垒的前提条件。
器件正常工作时，漏极接正向偏压DV-。
画出器件沟道内的电力线分布如图2.8所示，漏极接正偏压时，由向偏压G于重掺杂，电子会向电极方向运动，因此会在靠近沟道一侧感应出正电荷。
同理，栅极也会感应出负电荷。
漏极区产生的电力线由于源极区的排斥作用而偏向栅极，源区的电力线也偏向栅极。
这样便在靠近源区的沟道中产生了势垒。
以最左边源极区为坐标原点，设定漏极区产生的电场方向为正向，由电场的连续性绘出沟道中电场的一维函数图如图2.9中a 曲线所示。
图2.9 一维沟道电场曲线图 图2.10 一维沟道电势曲线图电场是电势的负梯度，即E d dx φ=-,因此根据电场的曲线图画出电势的曲线图如图2.10所示，在沟道的0x 处电势为最低点。
又因为电势是q φ-，根据这个关系可以得到电势能的一维曲线图如图2.11所示。
图2.11 沟道中电子电势能的一维分布曲线图由图可知，在沟道的0x 点是电子电势能的最高点，所以0x 处也就是沟道的势垒区。
电子要想从源区到达漏区就必须越过势垒区，这就对电子的能量有了一定的要求，当电子本身的能量足以越过势垒区时，该电子就会到达漏区，为漏源电流作出贡献，而电子的自身能量小于该势垒时，就会被势垒阻挡在源区。
而漏源电压和栅源电压正好控制着沟道内势垒的大小，所以也就控制着器件的电流大小。
当漏极偏压D V 增大时，会在漏极重掺杂的n +区靠近沟道一面感应出更多的正电荷，增大其面电荷密度，由高斯公式 E σε∇⋅= 可知靠近漏极区的电场增大，而源极区的电场几乎没有发生变化，此时画出沟道内的电场的一维函数图如图2.9中b 曲线所示。
电场是电势的负梯度，根据导数关系E d dx φ=-，靠近源区电的绝对值场变小，电势减小的也就越慢，所以该情况下电势的最低点的绝对值相比而言比较小，其对应的函数曲线如图2.10中b 所示，这样对应的沟道电势能如图2.11中b 图所示，很明显沟道势垒降低，电子越过势垒所需要的能量也就降低，所以漏极电压增大时，沟道电流增大。
同理，栅极电压G V - 增大时，会在栅极源区沟道内的表面上感应出更多的表面电荷，增大栅极的面电荷密度，从而增大源极区的电场，而漏极区的电压几乎没有发生变化，电场的函数曲线如图2.9中c 所示，对应电势的一维曲线图如图2.10中c 所示，这样，有2.11中的曲线c 就可以看出沟道内的势垒增大。
所以，栅极电压G V - 增大时，沟道内的电流减小。
2.3.2 静电感应晶体管的I-V 特性SIT 的I-V 特性曲线有好几种不同的类型，比如电阻特性、类三极管特性、类五极管特性、混合特性等。
图2.12给出SIT 的几种特性曲线图。
（a ） 电阻特性 （b ） 类三极管特性（c）混合特性（d）类五极管特性图2.12 SIT的几种I-V特性曲线表现出电阻特性的SIT是一个失败的器件，几乎没有什么作用，而类三极管特性的SIT是理想的特性曲线，但随着器件结构参数的变化，它会逐渐向类五极管特性转变。
因此，要得到理想的特性曲线，就必须找到器件的最佳匹配参数。
2.4 静电感应晶体管I-V理论分析以表面栅结够为例，作如下几点假设[6]：（1）栅沟pn结是p n+单边突变结，空间电荷区在n型的沟道中；（2）栅控制区的纵向截面为简单的矩形模型；-特性的理论计算可以（3）栅条的厚度远远大于沟道宽度，因此对于I V简化为简单的二维计算。