论文摘要
脉冲功率技术近年来发展迅速,在军事和工业的众多领域都有着广泛的应用前景。脉冲功率开关是脉冲功率系统的核心元件之一。由于半导体器件具有体积小、寿命长、可靠性高等优点,脉冲功率开关目前有半导体化的趋势。反向开关晶体管RSD（Reversely switched dynistor）是20世纪80年代由俄罗斯的科学家基于可控等离子层换流原理率先提出的一种专门应用于脉冲功率领域的新型半导体开关。它从工作原理上具备优势,可同时满足数十kV高电压、数百kA大电流、105A/μs高电流上升率。本论文以RSD的工作机理作为理论基础,从特性分析、结构优化、工艺探索及器件应用四个方面入手,系统研究了RSD开关及其关键技术。论文首先详细分析了RSD的换流特性。通过引入优化因子,在满足阻断电压的条件下获得最短n基区。基于双极漂移等离子库模型,得到了用临界预充电荷量描述的RSD开通条件,实验检验了RSD极限通流能力的经验公式以及预充电荷量对开通特性的影响,结果表明一定范围内预充电压越大则开通过程越均匀。在此基础上推导了RSD的di/dt耐量的解析表达式,讨论了di/dt的影响因素并进行了实验验证。根据RSD的开通电压表达式和回路方程,定量计算了RSD的功率损耗,结果表明RSD总损耗很小且换流损耗占总损耗的比例很小,RSD的功耗随电流峰值的增加、n基区宽度的增加以及n基区掺杂浓度的降低而增大。提出RSD在短脉冲放电应用中存在集肤效应的问题,计算得到考虑了集肤效应后芯片上的电流密度分布,越靠近边沿电流密度越大,且随着电流上升率的提高该差距加大。建立RSD自然关断模型,计算了RSD的反向恢复时间,其大约在几十微秒量级且受n基区宽度的影响较大。为了进一步改善器件特性,论文从优化结构考虑,提出将薄发射极理论应用于RSD以改善其开通,并进一步提出“薄基区-缓冲层-透明阳极”新结构以协调RSD通态、断态和开关特性。根据RSD的开通条件,减薄阳极发射区有利于预充等离子层在导通过程中不耗尽,解决非均匀开通问题。通过建立薄发射极RSD的不对称pin二极管模型,发现一定范围内RSD正向压降随发射区掺杂浓度的降低而减小,当掺杂浓度降得较低时,减薄发射区厚度可获得一致性较好的低正向压降。缓冲层的引入使RSD中的电场分布由三角形变为梯形,同等耐压条件下芯片厚度得以减薄。透明阳极结构理论上可使电子在关断过程中直接穿透阳极,在电极表面高速复合,加快关断速度。论文研究了RSD的关键工艺。首先按照阳极发射区形成工艺的不同给出了两套制备方案;然后设计了阳极和阴极的版图,阳极的多元胞结构应满足晶闸管和晶体管单元特征尺寸之和小于长基区宽度;最后介绍了制备RSD过程中涉及的新工艺,包括硅片的化学腐蚀减薄工艺和“薄基区-缓冲层-透明阳极”的形成工艺。论文结合RSD的实际应用,研究了基于RSD的脉冲发生电路。推导了可饱和磁开关的电感和伏秒积的公式,理论和实验研究了磁开关延迟时间。仿真和实验研究了基于RSD的脉冲放电主回路参数与输出电流波形的关系。设计了120kA级的大功率脉冲发生电路,按输出参数的要求设计了主开关RSD的结构参数和级联个数、主回路参数以及预充方案,实验成功通过峰值电流132.2kA,脉宽330μs。采用谐振式触发进行了RSD的重复频率开通实验,主电压4kV下获得了20Hz的输出波形。根据集肤效应提出RSD的多单元并联来增大电流容量,以充分利用芯片面积,建立RSD多单元并联模型,讨论了电流不平衡率的影响因素。提出降低单只阻断电压而增加串联数目的思路,以提高芯片工作速度和延长使用寿命。本文的研究成果为在我国开发和应用新型脉冲功率器件RSD奠定了基础,并对RSD特性的进一步改善进行了有益探索。