[科普中国]-维持电流

简介

晶闸管在电力电子器件领域占据统治地位，被广泛应用于低开关频率领域和高电压、大电流的大功率范围。在晶闸管正向特性曲线中，擎住电流和维持电流是两个重要的参数，它们对晶闸管的开通和关断均有影响。擎住电流表征了晶闸管开通的难易程度，擎住电流越大晶闸管就越不容易导通且开通损耗越大；维持电流表征了晶闸管关断过程的难易程度，维持电流越大晶闸管关断就越慢，损耗也就越大1。

擎住电流1) 假定器件中载流子寿命为常数，不考虑大注入下俄歇复合的影响；

2) 假定载流子迁移率为常数，不考虑晶闸管中寄生晶体管的基区扩展效应；

3) 假定擎住电流边界的载流子满足结定理。

擎住电流的定义是在一个10μs的触发脉冲的末尾能使晶闸管安全转入导通模式，并且此门极信号归零后还能安全的维持导通状态的最小电流。从定义可知，擎住电流下器件处于通态，此时器件内部的反馈过程能够维持。因此可以利用PIN二极管的导通特性对其分析，得到擎住电流的计算2。

模型计算与仿真为了验证上述模型的正确性，利用Sentaurus TCAD工具对典型的晶闸管器件结构进行仿真。模型计算出来的值和仿真结果值较一致，两者之间的差别较小，由文献可知，擎住电流一般为维持电流的2～4倍，不同漂移区长度下擎住电流密度不一样，仿真结果的变化趋势与模型计算的变化趋势是一致的，且随着漂移区长度的减小仿真结果与模型计算值之间的误差减小。为了进一步验证擎住电流的正确性，采用模型计算的载流子浓度和仿真擎住电流时载流子浓度的对比。

模型与仿真得到的载流子浓度变化趋势是一致的；同时两者曲线上有一定的差别，在器件长度300μm左侧时，模型计算值大于仿真结果载流子浓度，在器件长度300μm 右侧，仿真结果值大于模型计算载流子浓度。两者出现差异主要是由于建立模型的时候对某些条件简化了如载流子寿命、载流子复合等。①在推导擎住电流过程中，载流子复合项只考虑SRH复合，没有考虑俄歇复合，这样计算得到的载流子浓度偏大也就造成擎住电流偏大。载流子复合项对擎住电流两者相差的浓度差在1014cm-3 数量级，电流密度大小约为0.073A·cm-2。将表中擎住电流模型计算值减去0.073A·cm-2后，与仿真结过比较，误差减小为27.5%。②在擎住电流中，载流子寿命被看成是一个常数，但是在实际过程中，载流子寿命

会随着载流子浓度的增加而变化。同时，载流子在内部的迁移率也与浓度相关，也是一个变化的量，这些变化量都会造成计算结果值偏大。而且器件的漂移区长度越短这种变化效应越不明显，从而擎住电流误差就越小，对于擎住电流的计算结果比实际的略大，主要原因在于假设了载流子寿命为常数和载流子复合；由于维持电流的薄层电阻和NPN晶体管的电流增益计算的简单化，所以计算出来的值也比实际的略小2。

总结通过对晶闸管导通机理的分析，推导出了擎住电流和维持电流的计算式。利用数值模拟的方法计算出晶闸管的擎住电流和维持电流，通过将模拟与计算的结果对比发现符合较好，验证了擎住电流和维持电流计算式的正确性。进一步表明，推导的计算式可以用于实际晶闸管的擎住电流和维持电流的计算，对于晶闸管的设计和制造具有较强的指导性3。