借助可控等离子层换流原理的优化方案

利用半导体器件进行大功率换流的本质是使原来具有高阻并承受外电压的区域在电导调制作用下，电导率急剧增加，这个承受电压的区域就是通常所说的反偏PN结，由于受强电场作用而完全耗尽的空间电荷区，增大空间电荷区的电导率是依靠对其填充导电性极佳的电子-空穴等离子体来实现的。

对于半导体器件，单位体积换流容量主要受限于载流子较低的迁移率及浓度，也与器件不太高的工作温度相关，这导致了建立具有大工作体积导电区的必要性。由于等离子体中载流子的扩散长度较小，不可能像在气体放电器件中那样采用增大电极间距离去扩大体积，因此换流功率的增大基本上只能靠增加电流流通面积来达到。所以，单位面积最大换流容量取决于在高阻区迅速建立起大面积的有效等离子通道的能力。在常用的大功率半导体开关中，等离子通道是靠高浓度掺杂射极层的载流子注入形成的。

在普通晶闸管中，中间的集电结阻断器件上的电压。在导通过程中，这个结的空间电荷区必须被等离子体充满。导通过程由射极-基极电路中的电流脉冲流过短基区层来触发，由于这一层的电阻率很高（低掺杂），发射结的电子注入只局限于靠近射极-基极边沿的狭窄通道（百微米量级），随时间推移，这个通道的宽度将由于导通状态的扩展而变大，但这一过程的速度较慢，只有0.05～0.1mm／μs。这种局部化现象使普通晶闸管不可能建立大面积的导流通道。实际上，基于常规换流原理构成的半导体器件在换流功率上都有局限性，在功率为兆瓦到吉瓦的范围进行微秒至纳秒的快速换流，它们难以与气体放电器件展开竞争。

基于此，俄罗斯阿·法·约飞物理科学研究院的科学家们提出了借助于可控等离子层换流的新原理，利用其开发的半导体换流器件与过去的半导体器件相比，换流功率特性得到了显著改善，微秒范围内几乎可增大一个量级，纳秒范围内可增大2～3个量级。(www.xing528.com)

借助可控等离子层换流的思路如下：在晶闸管类型的器件中，用某种方法在集电结平面上建立一个均匀分布的电子-空穴等离子层，那么外加正向电压将在整个平面上均匀地使等离子层中的空穴移向P基区，而电子移向N基区。这些作为P基区及N基区多数载流子将降低两侧射极结的势垒，从而引起发射区向相应的基区注入少数载流子，然后按通常晶闸管机理发生器件的开关过程。与普通晶闸管导通原理不同的是，此处由于触发作用的均匀性，导通过程将在器件的全面积上均匀同步发生。这里废弃了控制门极，代之以一个全面积上均匀分布的等离子层，可形成一个面积与硅片相等的等离子体导流通道。

然而，要建立这样的等离子薄层是相当复杂的。国外曾报道了多种建立它的方法，其中有集电结的脉冲雪崩击穿、大功率超高频场中的冲击电离、大功率相干及非相干光脉冲电离等方法。所有这些方法一般来说都能提供不错的结果，然而从技术的角度来说都太复杂了，触发设备庞大，影响了器件的使用。最方便的方法是“反向注入控制”，在此方法中，可控等离子层是采用将器件上的外加电压极性作短时的反向来建立的。RSD是在此方法基础上建立的，其工作过程可分为预充和导通两个阶段。在预充过程中，让器件通过一个短的反向电流脉冲，通过等离子体的双向注入在高阻区形成高浓度的等离子层；然后使外电压变为正向，结构中的等离子体在电场作用下再分布，使原本反偏的集电结倒向，器件导通。