关键词: 物理研究; 动态性能; 动态参数; 双极型静电感应晶体管
1 引言
电力半导体器件是电力电子技术的基础，是电力半导体装置的心脏。电力半导体器件的特性直接影响电力电子系统的体积、重量、价格和性能。八十年代以来，随着微电子技术的迅速发展，微电子与电力电子在各自发展的基础上相结合产生了一代高频化、全控型的功率集成器件。在众多的新型半导体器件当中，静电感应（SI）器件是新生发展起来的独具特色的电力半导体器件，并且己发展成为一个相当大的SI家族.该家族的主要品种有功率SIT、超高频SIT、微波SIT、双极模式静电感应晶体管（BSIT）、静电感应晶闸管（SITH）以及静电感应集成电路（SIT-IC）。
其中双极模式静电感应晶体管BSIT是将SIT和双极性器件BJT的作用综合在一起，取各自优点而形成的一种新型器件。它具有工作频率高，频带宽，输出功率大、增益高，输入阻抗高，容易驱动，输出阻抗低，热稳定性好等优点。由于静电感应器件电流容量大，开关速度快，适合于作为大功率开关器件，所以在研究静电感应器件时的性能时不仅包含漏电流、放大倍数、击穿电压等静态参数，还应包括诸如开通时间、关断时间、功率损耗等动态参数。
本文在简要分析了BSIT的工作原理的基础上，对双极模式静电感应晶体管BSIT的动态性能进行物理分析，从物理的角度阐述了BSIT的开关特性，di/dt容量，di/dt容量及开关损耗这几个动态参数的意义。
2 BSIT的工作原理
BSIT外延掺杂浓度很低，栅间距又很小，零栅压下沟道就己夹断，故通常处于常关状态，属常关型器件。BSIT的结构示意图如图1所示。
图1 BSIT的结构示意图
通过选择合适的结构参数（栅间距、栅体扩散深度和材料的掺杂浓度等），在栅结自建电场的作用下，耗尽层便会在沟道内充分交亚并形成足够高的电子势垒。当不加栅偏压时，漏源电压虽对势垒的降低有一定的作用，但因沟道已处于充分夹断状态，单靠漏源电压不会有足够的电子越过势垒形成明显的漏源电流。
栅压为负时（VGS<0），栅沟p-n结反偏，沟道势垒更加升高，器件处于完全夹断状态。阻断电压VDS给出了器件的耐压容量。VG一定，当VD升高到一定值时，有微小的电流流经器件，该电流为多子电流，属于势垒控制电流，此时器件工作在单极模式，I-V特性呈现出类三极管特性，且沿VD轴有一定的位移，这一位移电压给出了器件的“特征电压”。
当栅压为正且足够大时，栅沟p-n结为正偏，有少子空穴由栅极注入沟道。少子参与使器件的作用机制发生了根本性的变化。随着栅压的增加，注入空穴不断增大，同时有对应的电子由源区注入，在沟道区和外延层内 （一定范围内）形成了高浓度的电子—空穴等离子体，使得所在区域发展成为准中性区并产生显著的电导调制效应。该区域内电场很小，对应的电压降也很小，可通过大的漏电流，器件处于开态，也称为饱和状态。此时电流的大小受注入少子 （空穴）的调制。属电流控制型。此种状态称为双极模式。大的电流和甚低的通态压降是此模式的基本特征。I-V特性呈类五极管形式。
3 BSIT动态性能的物理分析
（1） BSIT的开关特性的物理分析
双极型静电感应晶体管是一种新型功率开关，其结构和垂直沟道JFET类似。但由于外延层掺杂浓度很低，栅间距很小，栅长也很短，栅区更接近于源区，从而栅对电流的控制更强，表现出较JFET 更优良的电特性。
在负栅压下，电流作用主要是沟道势垒控制机制。在栅压由负变正而逐渐增大的过程中，器件由势垒控制机制向少子注入控制电流机制转化。在正向栅压很小时，由栅极注入沟道的空穴浓度很低，同时由于沟道势垒的阻挡作用，由源注入沟道的电子浓度也很小，此时势垒仍存在，在漏压作用下，电子通过沟道向漏极运动，同时由于栅结自建势的作用，流入栅极的电子电流可以忽略，电子浓度沿沟道中线向两栅方向逐渐减小。静态地看，电子电流在沟道中将补偿电离掺杂电荷，从而等价于掺杂浓度减小，即要求的夹断电压减小，随着栅压的升高，由于源高低结的反射作用，已有空穴积累于源附近的沟道区，势垒降低， 注入少子（空穴） 参与了势垒调制电流， 若栅压VG升到足够高，势垒完全消失，在沟道中的注入空穴将与由源注入的电子形成电导调制区，栅电流增加。器件处于双极运用机制， 在沟道区和外延层一定范围内形成了高浓度的电子-空穴等离子体， 使得所在区域发展成为准中性区并产生显著的电导调制效应。该区域内电场很小，对应电压降也很小，可通过大的漏电流，此时器件处于开态。这样就完成了由关态到开态的开启过程。
BSIT 的栅关断机制为：在BSIT 开通状态下，n-高阻层同时存在的大量少子和多子，当栅-阴极间加上反向栅压用来关断BSIT 时，在p+栅附近存储的空穴被扫向栅极，而部分沟道电子则流入n+阴极区，此部分载流子的流动将诱发（导） 在p+-n--n+二极管的反向恢复电流。在n-高阻层内存储的大部分载流子将通过p+栅极和n+阴极区域而被扫离。当沟道势垒升高到足以切断从阴极区域注入的电子时，主传导阳极电流突然被切断，器件进入关断状态。
（2） BSIT的di/dt容量的物理分析
由于BSIT的开通时间非常短，所以在其开通过程中，将产生很大的电流变化率di/dt，BSIT由于不受等离子体扩散速度的影响。因此具有较大的di/dt容量。
BSIT的开通速率一方面取决于沟道势垒的消除速率，另一方面取决于导电沟道形成的快慢。该过程与耗尽层在沟道中的收缩直接相联系，因此，为了使BSIT快速开通，必须采用低阻抗的栅极驱动电路。
图2给出了BSIT在通态和阻断态对应的耗尽层情况。
图2 BSIT在通态和阻断态时耗尽层示意图
栅间形成的导电沟道宽度d可由（1）式决定：
（1）
式中的a为半栅间距，ND为基区的掺杂浓度，VG为外加的栅偏压，Φ为栅结的自建电势，ε0为自由空间介电常数，ε为硅的介电常数。
从（1）式中我们可以看到，对于基区的不同掺杂ND，当VG一定时，不均匀的掺杂ND将使不同部位的d不同。低ND区，对应于窄的d，该区域将先于其它区域开通。结果，使得导通电流局域化，电流的局部集中使该处电流的密度很高，可能导致电极铝条烧毁，使器件失效。
即使是ND掺杂均匀，在器件的开通过程中，栅极偏压也不可能同时施加于所有的栅区上，在远离栅极压点的地方，由于RC延迟作用，开通总是迟于压点周围。但在实际情况下，器件发生失效的部位首先是在源极压点附近，而不是在栅条上。这主要是因为当源极电流流过金属电极时，在金属电极的欧姆电阻RM上产生电压降。由于金属电极条电阻自偏压效应，使源极指偏压在条长方向分布不均匀，离开电极条根部愈远，偏压愈小。造成电极条根部电流集中。因此在压点处，电流达到最大。
（3） BSIT的dv/dt容量的物理分析
dv/dt为临界阻断状态电压的上升率，在高电压、大电流的BSIT的关断过程中，器件将承受很大的dv/dt，这相当于给BSIT 的漏极和源极之间施加了一个正向上升电压，由于栅极串联电阻RG的去偏效应，过大的dv/dt将影响BSIT的关断，使器件不能关断或者关断以后又重新开通。虽然过大的dv/dt不会造成器件的损坏，但会使整个电路工作不稳定。因此必须提高器件的 耐量。
可用图3所示的等效电路来分析阻断过程中的dv/dt特性。RG为栅源极之间的串联电阻，CGD为漏极与栅极之间的等效电容。如图4所示。RL为限流电阻。反向栅压VGS用于关断器件。
图3 关断瞬间等效电路图
图4 BSIT漏极-栅极结电容等效示意图
在关断过程中，当dv/dt过大时，漏极电压通过电容CGD形成一反向电流，当它流经栅源电阻RGS时，形成一与VGS相反的电压，减弱VGS对器件的关断作用，有时会引起器件的误导通。
（4） BSIT的开关损耗的物理分析
BSIT的功率损耗包括导通期平均功耗PF、开通功率损耗PON关断功率损耗POFF;以及栅极功耗。一般情况下，栅极功耗占全部功耗的很小的比例，可以忽略不计。
开通功率损耗包括开通延迟时间和开通上升时间的损耗;关断损耗主要是下降时间和尾部时间产生的损耗。
开通和关断的功率损耗可以由开关波形直接计算得到，如图5和图6所示，它们分别随着开通电流和关断电流的增加而增加。
图5 BSIT的开通损耗
图6 BSIT的关断损耗
BSIT的功率损耗是随着工作频率的增加而很快的增加。并且在不同的工作频率下，各部分的损耗所占的比例不同。在低频工作时导通期平均功耗大于开通和关断功率损耗，工作频率很高时，开关损耗占主要地位，也就是开通功耗和关断功耗远大于通态功耗。
另外，栅极驱动电流的大小对开关损耗有很大的影响。正向驱动电流增大，存储时间加长.关断速度变慢，高频应用时开关损耗增大。但正向驱动电流减小时，动态饱和压降将上升，使通态损耗增加。因此，栅极驱动电路的设计直接影响器件的应用。
4 结束语
BSIT的开关特性，di/dt容量，dv/dt容量及开关损耗等是重要的动态参数，标志着BSIT的动态性能。通过对它们的物理分析，可以深入理解BSIT的动态性能与工作特性，从而，找出可以提高BSIT动态性能的方法，对实际应用有指导意义。
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