[发明专利]一种RSD芯片电流密度分布计算方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体开关技术领域，涉及一种RSD芯片电流密度分布计算方法。

背景技术

脉冲功率技术是把相对长时间内存储的具有较高密度的能量，以单次脉冲或重复频率的短脉冲方式释放到负载上的电物理技术。废气处理等环保需求推进了重复频率脉冲功率技术以及半导体脉冲开关的发展。其中，晶闸管主要应用于毫秒及以上脉冲宽度KA级电流应用领域，IGBT主要应用于微秒脉冲中等功率脉冲电源。这些半导体功率开关的主要缺点不能同时满足电流上升率(di/dt)高、电流峰值大、输出电压高等要求。

20世纪80年代，前苏联院士I.V.Grekhov发明的反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,RSD)采用可控等离子体层触发方式，反向注入触发电流，在整个芯片面积上实现了同步均匀导通，可以实现高di/dt大电流微秒开通。基于RSD的重复频率脉冲功率电源在环境保护、食品保鲜、军事、工业加工等领域有着广泛的应用前景。RSD器件是一种由数万个晶闸管与晶体管元胞相间并联排列的器件，没有普通晶闸管的控制极，采用可控等离子体层触发方式，反向注入触发电流，在整个芯片面积上实现了同步均匀导通，从器件原理上消除了普通晶闸管器件存在的开通局部化现象，可以实现高di/dt微秒开通，同时在短时间内通过很大的电流。特殊的结构及开通原理使得RSD具有如下特点：全面积同步均匀导通；高功率微秒换流；理论上可无限串并联；串并联使用时触发电路结构简单；芯片面积利用率高；使用寿命长。

在RSD芯片的加热、降温、掺杂等生产过程中，由于工艺条件分布不均匀，使RSD芯片内部的半导体参数分布不一致，导致实际物理实验过程中，RSD芯片内部的电流密度分布可能存在不均衡的情况。现有的RSD器件仿真模型及方法将RSD简化为一个晶闸管单元和一个晶体管单元的反并联组合，并按照经典计算公式进行仿真。这种方法的计算前提是假设整个RSD芯片内部的电流密度分布均匀，且只能进行器件的原理性仿真，无法模拟整个RSD芯片的电流分布情况，现有的实验测试条件也不能测量整个RSD芯片的电流分布情况，不利于RSD的研究和发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种RSD芯片电流密度分布计算方法，本发明所要解决的技术问题是如何对RSD芯片电流密度分布进行计算。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种RSD芯片电流密度分布计算方法，其特征在于，本计算方法为离散化方法，其方法步骤如下：

步骤一、从RSD取出宽度为H、长度为RSD芯片直径D的部分芯片；

步骤二、将步骤一所述部分芯片离散化为N个小RSD单元排成单列；

步骤三、将步骤二所述小RSD单元内部按照理想器件处理，即内部的Wn参数分布完全一样，预充及正向导通电流密度分布均匀；

步骤四、所述小RSD单元的电流计算公式：RSD脉冲放电电路的主回路参数如下：回路总电感为L，放电电容为C0，回路总电阻为R，U为电容C0的电压，主回路电流，计算

式中，预充阶段的电压及电流密度计算：RSD电压降

式中，Q_N＝qN_dW_n，采用梯形法计算积分Q_R(t)|_t＝(n+1)dt，代入式(2)，方程变换为以J_F(t)为自变量的二元一次方程，求解得到N个小RSD单元的总电流：

式中，D＝(bQ_N)^-1-(bQ_N)^-2Q_R(t)|_t＝ndt/3，E＝(bQ_N)^-2dt/3，V＝U_R|_t＝(n+1)dt，A_rsd为小RSD单元的面积，J|_t＝(n+1)dt为t＝(n+1)dt时刻的电路方程计算得到的RSD芯片总电流密度；正向导通阶段的RSD单元电压及电流密度计算：磁开关饱和后，RSD电压降

式中，

正向导通后，RSD电压降

式中，

t＝(n+1)dt时，整理得到

式中，采用梯形法计算积分Q_F(t)，(6)变换为以J_F(t)为自变量的二元一次方程，求解得到N个小RSD芯片的总电流密度：