功率半導體器件作為電力電子系統中各種拓撲電路的核心電子元器件，能夠對頻率和功率的變換進行控制、交直流電壓進行轉換。功率半導體技術的發展推動著各種高性能、高可靠性的電力電子系統的發展。人們通常把功率半導體器件分為三代。

晶閘管（Thyristor）或可控硅（SCR）為主的可承受高壓大電流的大功率容量器件為第一代，被各種電力電子系統領域所應用。同時，由于應用場景的需要，逆導晶閘管和光控晶閘管也在此基礎上受到了廣泛研究與應用。圖1是晶閘管的基本結構以及等效電路圖。

圖1 晶閘管結構圖和等效電路圖

自 20 世紀 70 年代以來，光控晶閘管在高壓直流（HVDC）輸電系統中廣泛應用，其能解決電控晶閘管無法實現的柵極驅動電路的低抖動電隔離，光觸發的晶閘管使用一直引起人們的廣泛關注。早在 1981 年EPRI 組織就研究發現，電觸發和光觸發晶閘管導通之間的物理差異。研究表明在光觸發機制中有一個額外的電流，使得陽極 PN 結處比傳統的電觸發提前注入了載流子，這使得器件的 di/dt 提高到了 800 A/μs。1990 年，富士電氣公司提出了一種改進的光觸發晶閘管設計方案，通過注入鋁和磷離子來制造器件，以此提高摻雜均勻性，使得晶閘管的電壓、峰值電流和 di/dt 耐量分別達到了 6000V、2.5 kA 和300 A/μs。

由于晶閘管 di/dt 耐量提高到 k A/μs 范圍，對于脈沖功率應用中開關器件的需求也隨之而來。在 1994，羅格斯大學的研究人員報告了 InP 和 Ga As 基的光柵晶閘管的發展成果。在晶閘管基本 pn 結構之間，這兩種器件都有一個大面積的 InP 或 Ga As 材料的的半絕緣層，用來提供大的阻斷電壓。對于 InP 基結構，新器件的最大電壓、電流和 di/dt 值分別為 1200 V、61 A，14 kA/μs，而對于和 Ga As基器件來說，它們分別為2120 V，156 A，8.5 kA/μs。雖然這些器件的 di/dt 能力都呈數量級的增加，但都是以幾乎相同的幅度降低其額定電流為代價。

在大功率系統中，如電力傳輸網絡，系統的工作電壓非常大。通常，它們遠遠超過了單功率晶閘管（SCR）的阻擋能力。因此，有必要串聯操作一些晶閘管。在這種配置中，觸發單個晶閘管所需的巨大電位差可能并不容易獲得。使用光纖將控制信號從砷化鎵發光二極管（LED）傳輸到該系列中的所有晶閘管是一種避免需要高壓柵極驅動簡潔高效的方式。然而，砷化鎵的led只提供相對較小的輸出功率。因此，需要在光柵附近設置放大柵區域用于打開主晶閘管。

圖2為本文工程的截圖，首先通過SDE構建一個三維SCR的結構，隨后通過SDEVICE施加100V電學偏置和不同光強及范圍的光學脈沖，最后通過SVISUAL展示出在不同光學條件下，陽極電流和光生率隨時間變化的曲線。 整個工程可以用來研究多大的光束強度或光束半徑足以觸發晶閘管 。

圖2 工程界面

圖2中的參數具體含義如下：

Lgate：定義了光柵的半徑。這里為100um。

Lbeam：定義了光束的半徑。在這里，它定義的值分別為20和80um。

Intensity：定義了光束的強度。在這里，它假設的值分別為1.0、4.0、5.29和5.30 W/cm2。

SDE構建SCR器件結構和摻雜分布

本文構建的晶閘管結構是一個圍繞垂直軸旋轉對稱的三維器件。使用了圓柱形坐標系在一個二維網格和徑向切片的基礎上進行仿真構建（后續將對圓柱形坐標系進行介紹）。

如圖3二維徑向切片由一個520um寬，90um深的矩形硅區域組成。陰極覆蓋了器件的整個底部。晶閘管的徑向結構為：光柵區域在中心。它的長度由參數Lgate定義。在柵和陽極之間有一個放大區域。它由沉積在硅襯底上的兩個內外金屬環組成。第一個環的寬度為22.5um。在徑向距離25um之后，淀積第二金屬環。第二個環的寬度為137um。在徑向距離28um之后，則是陽極接觸。

陰極與一個p摻雜的擴散區接觸。峰值濃度為1e19cm-3，結深10um。中心區域均勻摻雜n為60um厚，摻雜為1e14cm-3。

頂部區域20um內，p摻雜水平是恒定的。在這個區域，有三個n阱摻雜（峰值摻雜濃度為1e19cm-3）。

第一構成陽極，第二構成放大柵極，并位于外金屬環下。第三個位于器件的中心，構成光柵。陽極n阱的結深度為10um，光學和放大柵極n阱的結深為15um。

圖3 器件徑向二維結構圖

電學仿真

1.坐標系

圓柱坐標系為用于建模可以用徑向（ρ）和高度（z）表達的具有圓柱形且對稱的三維器件。需要假設器件對于所有方位角（?）都相同。這樣，3D器件就可以在2D坐標系中進行表述。

這里，晶閘管圍繞垂直軸x=0。繪制的2D平面器件被視為圓柱對稱的（ρ，z）平面。笛卡爾x坐標變為圓柱-ρ坐標，笛卡爾y坐標變為圓柱形z坐標。

Sdevice假設2D結構旋轉完全圍繞笛卡爾x軸（圓柱形z軸）進行。2D網格可以用于仿真三維圓柱形器件，其結果相當于一個三維晶閘管。因此，仿真結果中的電流單位為安培（A）而不是用于2D器件結構或網格的單位A/μm。

柱面坐標系可以被以下關鍵詞激活：

Math { ...

Cylindrical(0.0)

}

其中，0.0定義了x坐標中對稱軸的位置。

2.模型選擇

仿真使用漂移擴散傳輸模型，其中載流子連續性方程與泊松方程一起求解。肖克利-霍爾、俄歇產生復合模型與Slotboom禁帶變窄模型同時被激活。還使用了依賴摻雜的遷移率模型，并考慮了高場飽和效應。漂移擴散傳輸模型同時考慮了電子和空穴，這樣仿真時可以根據費米能級的梯度計算出電子和空穴的驅動力得到更準確的遷移率數值。

3.光學設置

晶閘管的一部分受到來自上方單色光束的照射。光照射到的地方，能量等于或大于硅帶隙的光子被吸收在半導體中產生電子-空穴對。光生率表示由于光子被硅吸收產生的電子空穴對的比例。根據朗伯比爾定律。光束強度從照明部分的頂面隨著半導體深度的增加呈指數減少。

這里使用如下的光學設置。所有的光學選項，如特定于光學仿真的材料特性和模型、入射光束的特性、光束的空間范圍和時間范圍，以及光學求解器及其選項，都在物理{光學（…）}部分中指定。：

Physics {...

Optics (

ComplexRefractiveIndex (

WavelengthDep(Real Imag)

)

OpticalGeneration (

QuantumYield(StepFunction(EffectiveBandgap))

ComputeFromMonochromaticSource (

TimeDependence (

WaveTime= (1e-5 1.5e-5)

WaveTsigma= 1e-6

Scaling = 1.0 * Transient Scaling

) *end TimeDependence

Scaling = 1e-30 * DC Scaling

) *end ComputeFromMonochromaticSource

) *end OpticalGeneration

Excitation (

Theta= 0

Intensity= @Intensity@ * [W/cm2]

Wavelength= 0.9 * [um]

Window("L1") (

Origin= (0,0,0)

XDirection= (1,0,0)

Line (

X1= 0

X2= @Lbeam@

) *end Line

) * end Window

) * Excitation

OpticalSolver (

OptBeam (

LayerStackExtraction (

WindowName= "L1"

Position= (@@,0,0)

Mode= RegionWise

) *end LayerStackExtraction

) *end OptBeam

) *end OpticalSolver

) *end Optics

} *end Physics

這些光學選項將在以下部分中指定：

ComplexRefractiveIndex

OpticalGeneration

Excitation

OpticalSolver

利用吸收系數和量子產生率可以計算晶閘管內部的光生率。吸收系數與復折射率的虛部成正比。波長相關的復合折射率模型使用ComplexRefractiveIndex關鍵字和 WavelengthDep(Real Imag)被激活。量子產生率模型（關鍵字QuantumYield）和照明光源的類型在OpticalGeneration部分中指定。

照明光源的類型被指定為單色光，使用關鍵字ComputeFromMonochromaticSource，它也被用于指定一個縮放因子（關鍵字Scaling），用于在準靜態或瞬態仿真中縮放光學生成率）。在準靜態仿真中，OpticalGeneration-ComputeFromMonochromaticSource部分中指定的比例關鍵字將光生率與比例因子相乘。在這里，它被設置為1e-30，因此所有準靜止斜坡的光生率幾乎為零。為了仿真光觸發晶閘管的時變開關特性，用WaveTime和WaveTsigma定義了光脈沖的高斯時間分布。

這些內容在OpticalGeneration-ComputeFromMonochromaticSource-TimeDependence部分中指定。WaveTime是入射光束強度恒定時的時間。WaveTsigma是時間高斯分布的標準偏差，它描述了在時間間隔波時間外的光產生率的衰減。本仿真中，脈沖峰值從10us到15us（WaveTime =（1e-5 1.5e-5））。在其開始和結束時，脈沖呈高斯分布，標準差為（WaveTsigma = 1e-6）。

如果在瞬態仿真中需要縮放光生率，則必須在OpticalGeneration-ComputeFromMonochromaticSource-TimeDependence部分中指定關鍵字Scaling。本仿真中，Scaling=1，因此，光生率沒有縮放。入射光束的特性，如強度、波長和入射角（傳播方向和正y軸之間的角度）在Excitation部分中規定。在這里，波長為0.9um和強度為交互界面中參數輸入的數值。Theta=0，光沿正方向（向下方向）傳播。光束的空間范圍由名為L1的照射窗口指定。

4.求解設置

求解部分設置如下：

Solve {

Coupled(Iterations= 100) { Poisson }

Coupled {Poisson Electron}

Quasistationary (

InitialStep= 1e-4 Increment= 2.0

Minstep= 1e-6 MaxStep= 0.1

Goal {name="Anode" voltage= 1e2}

){ Coupled { Poisson Electron Hole } }

Transient (

Initialtime= 0 Finaltime= 1e-4

Initialstep= 1e-7 Increment= 1.5 Decrement= 4

Minstep= 1e-11 Maxstep= 1e-4

){ Coupled { Poisson Electron Hole } ...}

}

Poisson指定初始解僅用泊松方程。第二步同時求解泊松方程和電子連續性方程。在第三步中，晶閘管通過使用準靜態升壓斜坡將陽極電壓提高到100 V來進行偏壓。接下來是一個瞬態仿真，晶閘管的一部分被具有高斯時間輪廓的光脈沖照射。對于準靜態和瞬態仿真，都求解了泊松方程以及電子和空穴連續性方程。

在光學計算與電學計算的過程中，從一開始就已經計算光學生成速率，并在隨后的步驟中使用。這意味著光在所有的仿真階段都被打開了。然而，只有在瞬態仿真過程中，晶閘管才必須通過光脈沖照明來觸發。因此，在進行瞬態仿真之前，應關閉光束或不應照亮晶閘管。

這可以通過縮放所有準穩態斜坡的光產生速率（乘以比例因子）來實現，使光產生速率降低到一個可以忽略的值。正如前文光學設置中所討論的，這是通過使用OpticalGeneration-ComputeFromMonochromaticSource部分中的關鍵字指定縮放因子并將其設置為1e-30來實現的。

在瞬態仿真中，如果解不能與當前步長收斂，則選擇設置Decrement減小步長以更好地解決陡峭的時間梯度。如果使用向后的歐拉方法作為時間離散化方法，瞬態仿真通常運行得更快，而且魯棒性更強。該方法由以下方式激活打開：

Math {...

Transient= BE

}

Svisual查看仿真結果

圖4 不同光強和光照區域光生率和電流隨時間變化曲線圖

圖5 80um光照半徑，1W/cm2條件下電子電流密度圖

圖6 80um光照半徑，1W/cm2條件下電勢分布圖

圖7 80um光照半徑，1W/cm2條件下光強分布圖

本文器件描述參考鄧操碩士學位畢業論文和新思公司SENTAURUS說明文檔