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。

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。

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（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（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。

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。