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脉冲功率技术的实质是将低功率能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内(ns或μs)的高功率(MW至GW)脉冲输出。该技术广泛应用于粒子加速、电磁弹射、矿藏开采、环境保护等国防和工业领域。脉冲功率开关器件是脉冲功率系统实现低功率储存能量和高功率脉冲输出能量转换的关键，其参数和特性决定了脉冲输出的功率等级、形状和稳定程度。脉冲功率技术的发展很大程度依赖于开关器件的更新迭代。近年来，半导体固态开关在新一代紧凑型脉冲功率系统中替代传统气体/真空开关已成为脉冲功率技术的发展趋势，其高di/dt脉冲能力是研究热点。在半导体固态开关中，MOS栅控功率器件具有驱动简单、易于集成等优势，受到脉冲功率系统青睐。然而，常规MOS栅控功率器件(如MOSFET、IGBT等)脉冲电流和功率等级较低、di/dt特性差(?1000A/μs)，难以满足高脉冲功率应用需求，尚待器件di/dt理论的提出和高di/dt器件技术的发展。
本论文针对新一代脉冲功率系统对高di/dt特性MOS栅控脉冲功率器件的需求，开展MOS栅控脉冲功率器件高di/dt的强电导调制机理与模型、器件新结构、di/dt耐量提升等研究，通过深究高脉冲电流形成原理与MOS栅控脉冲功率器件工作机理，提出“1个模型、2个结构、1项技术”，详细阐述如下：
(1)提出高di/dt电导调制(di/dt-CM)模型。本文揭示了高di/dt脉冲电流产生和器件漂移区强电导调制(CM)之间关系，联解RLC电路与器件方程组，建立MOS栅控脉冲功率器件di/dt-CM模型。此模型阐明器件高di/dt脉冲电流产生与其漂移区强电导调制的定量关系；深究器件阳极、阴极注入效率对器件强电导调制的影响，获得MOS栅控脉冲功率器件强电导调制实现途径，并由此给出高di/dt脉冲电流实现方法。该模型为器件新结构设计与实现奠定理论基础。
(2)提出强电导调制NPT型MOS栅控晶闸管器件新结构。针对常规MCT电导调制程度较低、需要负栅压(一般要求VG?-5V)维持阻断和抗dV/dt特性差等问题，根据上述di/dt-CM模型，提出阴极短路MCT(CS-MCT)和肖特基势垒MCT(SB-MCT)新结构。CS-MCT结构引入阴极短路，使其具备常关特性，并提升其dV/dt抗性；同时，提出SB-MCT新结构，在阴极短路区域内置肖特基势垒，抬升P-well电势，增加器件有效导通面积，增强阴极注入效率和电导调制，使SB-MCT具备极高di/dt脉冲特性，并改善其电流集中问题，提升器件重复脉冲特性。实验结果表明，CS-MCT在VG=0V下耐压为1600V，具备常关特性，且其dV/dt抗性大于16.2kV/μs；SB-MCT实现了120kA/μs的di/dt和10kA的峰值电流
(Ipeak)，其di/dt脉冲特性相较CS-MCT提高了20%。同时，SB-MCT的重复脉冲在2万次以上，性能并不退化，展现了优异的重复脉冲特性。
(3)提出4500VFS型高效阳极注入MOS栅控晶闸管(HiA-MCT)新结构。基于上述di/dt-CM模型中的强电导调制原理，开展阳极注入效率提升方法研究，从而提出4500VFS型HiA-MCT新结构。该结构通过高浓度阳极，增加N-FS/P+阳极浓度差?N，提升阳极空穴注入；同时，采用深结阳极使该区域电子在扩散至阳极金属接触点前被复合，减少阳极电子流出电流，极大增加漂移区内部电子-空穴非平衡载流子浓度(Δn=Δp＞＞Nd，其中Nd为器件漂移区杂质浓度)，从而实现极强电导调制。实验结果表明，本文所提出的HiA-MCT在200ns内产生了20.6kA的脉冲峰值电流，实现了140kA/μs的高di/dt，其di/dt为目前报道的最高值。
(4)开发基于电压耦合增强的di/dt耐量提升技术。研究MCT器件在高di/dt脉冲应用中的阴极-栅极电压耦合(VC-VG coupling)效应，分析di/dt、共源电感(LC)、栅阴电容(Cgc)等对瞬态栅极过压震荡的影响，研究器件瞬态栅极过压震荡与器件di/dt耐量的关系。研究发现，增加Cgc可增强电压耦合，使栅极电压紧紧跟随阴极电压，减小栅阴电位差，抑制瞬态栅极过压震荡，使器件工作安全在更高的di/dt下。基于电压耦合增强原理，提出di/dt耐量提升技术，发明虚拟栅极MCT(DG-MCT)器件，采用虚拟栅极增加器件的固有Cgc，以增强电压耦合并抑制瞬态栅极过压，提升器件di/dt耐量。实验发现常规MCT在di/dt=17.2kA/μs下瞬态栅极过压为136.7V，而DG-MCT的瞬态栅极过压仅为31.2V，极大抑制其瞬态栅极过压现象。经测试，DG-MCT的di/dt耐量较常规MCT提升6倍以上。di/dt耐量提升技术填补器件高可靠应用的关键一环。
本论文针对新一代脉冲功率系统对高di/dt特性MOS栅控脉冲功率器件的需求，开展MOS栅控脉冲功率器件高di/dt的强电导调制机理与模型、器件新结构、di/dt耐量提升等研究，通过深究高脉冲电流形成原理与MOS栅控脉冲功率器件工作机理，提出“1个模型、2个结构、1项技术”，详细阐述如下：
(1)提出高di/dt电导调制(di/dt-CM)模型。本文揭示了高di/dt脉冲电流产生和器件漂移区强电导调制(CM)之间关系，联解RLC电路与器件方程组，建立MOS栅控脉冲功率器件di/dt-CM模型。此模型阐明器件高di/dt脉冲电流产生与其漂移区强电导调制的定量关系；深究器件阳极、阴极注入效率对器件强电导调制的影响，获得MOS栅控脉冲功率器件强电导调制实现途径，并由此给出高di/dt脉冲电流实现方法。该模型为器件新结构设计与实现奠定理论基础。
(2)提出强电导调制NPT型MOS栅控晶闸管器件新结构。针对常规MCT电导调制程度较低、需要负栅压(一般要求VG?-5V)维持阻断和抗dV/dt特性差等问题，根据上述di/dt-CM模型，提出阴极短路MCT(CS-MCT)和肖特基势垒MCT(SB-MCT)新结构。CS-MCT结构引入阴极短路，使其具备常关特性，并提升其dV/dt抗性；同时，提出SB-MCT新结构，在阴极短路区域内置肖特基势垒，抬升P-well电势，增加器件有效导通面积，增强阴极注入效率和电导调制，使SB-MCT具备极高di/dt脉冲特性，并改善其电流集中问题，提升器件重复脉冲特性。实验结果表明，CS-MCT在VG=0V下耐压为1600V，具备常关特性，且其dV/dt抗性大于16.2kV/μs；SB-MCT实现了120kA/μs的di/dt和10kA的峰值电流
(Ipeak)，其di/dt脉冲特性相较CS-MCT提高了20%。同时，SB-MCT的重复脉冲在2万次以上，性能并不退化，展现了优异的重复脉冲特性。
(3)提出4500VFS型高效阳极注入MOS栅控晶闸管(HiA-MCT)新结构。基于上述di/dt-CM模型中的强电导调制原理，开展阳极注入效率提升方法研究，从而提出4500VFS型HiA-MCT新结构。该结构通过高浓度阳极，增加N-FS/P+阳极浓度差?N，提升阳极空穴注入；同时，采用深结阳极使该区域电子在扩散至阳极金属接触点前被复合，减少阳极电子流出电流，极大增加漂移区内部电子-空穴非平衡载流子浓度(Δn=Δp＞＞Nd，其中Nd为器件漂移区杂质浓度)，从而实现极强电导调制。实验结果表明，本文所提出的HiA-MCT在200ns内产生了20.6kA的脉冲峰值电流，实现了140kA/μs的高di/dt，其di/dt为目前报道的最高值。
(4)开发基于电压耦合增强的di/dt耐量提升技术。研究MCT器件在高di/dt脉冲应用中的阴极-栅极电压耦合(VC-VG coupling)效应，分析di/dt、共源电感(LC)、栅阴电容(Cgc)等对瞬态栅极过压震荡的影响，研究器件瞬态栅极过压震荡与器件di/dt耐量的关系。研究发现，增加Cgc可增强电压耦合，使栅极电压紧紧跟随阴极电压，减小栅阴电位差，抑制瞬态栅极过压震荡，使器件工作安全在更高的di/dt下。基于电压耦合增强原理，提出di/dt耐量提升技术，发明虚拟栅极MCT(DG-MCT)器件，采用虚拟栅极增加器件的固有Cgc，以增强电压耦合并抑制瞬态栅极过压，提升器件di/dt耐量。实验发现常规MCT在di/dt=17.2kA/μs下瞬态栅极过压为136.7V，而DG-MCT的瞬态栅极过压仅为31.2V，极大抑制其瞬态栅极过压现象。经测试，DG-MCT的di/dt耐量较常规MCT提升6倍以上。di/dt耐量提升技术填补器件高可靠应用的关键一环。