宽禁带半导体器件的开关过程建模与分析

发布时间：2020-06-10 13:35

【摘要】：以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件相比于传统Si器件,具有高击穿电压、高饱和漂移速度、高工作频率以及高工作结温等优点,可以大幅改善电力电子系统的性能。本文以SiC MOSFET为研究对象,研究电路中寄生参数对其开关过程的影响。SiCMOSFET的开关速度极快,寄生参数对其开关特性的影响远比传统Si器件要明显,在实际工程应用中,通过建模进行前期优化设计是很有必要的。在大量调研功率半导体的器件模型后,本文选择建立SiC MOSFET的数学模型,并用所建立的模型来分析SiC MOSFET的开关特性。首先,本文在对SiC MOSFET开关电路进行深入分析后,得到其开关过程各阶段的电压电流方程,通过数学方程时域求解,得到各阶段电压电流表达式,从而建立了一阶数学模型,这个模型可以对器件开关过程波形进行一定程度上的模拟,让我们可以快速的了解一个新器件的开关特性。然后,在一阶数学模型的基础上,通过对器件寄生电容和跨导的非线性表达以及采用数学迭代法求解高阶矩阵方程的方式,建立了更为精确的高阶数学模型,可以高度模拟器件的真实开关过程。在对高阶数学模型进行SPICE模型仿真和双脉冲测试实验双重验证后,证明了其对器件开关过程模拟的精确度。然后基于高阶数学模型,针对包括器件寄生电容在内的寄生参数对器件开关过程的影响进行了深入分析,并指出了相应的实际工程应用中的优化设计方法。
【图文】：

几何形态,半导体器件,极限,材料

晶体管的开关速度，ＱＦ１是指散热材料和功率器件的有源器件区域，ＱＦ２是基于逡逑理想散热器，ＱＦ３是基于散热器及其几何形态，ＢＦＭ是基于高频应用［７］，具体比逡逑较见图１．３。表１．１为其材料特性对比［８，９］。逡逑ＣＺ！ＢＨＦ？：ｉｉＥ０５逡逑＿邋ＱＦ３（－ＢＦＭ｜：逦逦逦逡逑１００００－＝逦ＱＦ２；邋｝ｊａＡＥｃ逡逑？逦：逦咏』，严逦１１１逡逑＾｜１000１邋＾３ＪＦＭ：（Ｅ￡ｖＪｓｆ逦ｉ逦１邋ｎ逡逑幢＿逡逑Ｓｉ逦ＧａＡｓ邋３Ｃ－ＳＣ邋６Ｈ－ＳｉＣ邋４Ｈ－Ｓ？Ｃ邋ＧａＮ逡逑Ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑图１．３以Ｓｉ材料为基准的不同半导体材料性能比较逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋Ｓｉ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑表ｉ．ｉ不同半导体材料特性对比逡逑Ｔａｂ邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑特性逦４Ｈ－ＳｉＣ逦６Ｈ－ＳｉＣ逦３Ｃ－ＳｉＣ逦ＧａＮ逦ＧａＡｓ逦Ｓｉ逡逑禁带宽度（ｅＶ）逦３．２６逦３逦２．２逦３．４逦１．４３逦１．１２逡逑介电常数逦９．７逦９．７逦９．７逦９．５逦１２．８逦１１．８逡逑２逡逑

性能比较图,半导体材料,性能比较,材料

＼邋ｒ逡逑１０邋ｗ邋ｉｄ＊邋ｉｏ＊邋ｉｆｆ邋ｉｆ邋ｆ［Ｈｚｌ逡逑图１．２不同功率半导体器件的制造材料极限逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｌｉｍｉｔ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐｏｗｅｒ邋ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｄｅｖｉｃｅｓ逡逑功率半导体器件的材料特性对器件的性能起着关键的作用。在这方面，以ＳｉＣ逡逑为首的宽禁带器件为克服传统Ｓｉ基器件中的材料限制提供了巨大的优势。宽禁带逡逑半导体材料的理论性能可以通过以Ｓｉ材料性能为基准的方式，建立一系列指标来逡逑相互对比。其中，ＪＦＭ是对器件性能的基本限制（高功率和高频率），ＫＦＭ是基于逡逑晶体管的开关速度，，ＱＦ１是指散热材料和功率器件的有源器件区域，ＱＦ２是基于逡逑理想散热器，ＱＦ３是基于散热器及其几何形态，ＢＦＭ是基于高频应用［７］，具体比逡逑较见图１．３。表１．１为其材料特性对比［８，９］。逡逑ＣＺ！ＢＨＦ？：ｉｉＥ０５逡逑＿邋ＱＦ３（－ＢＦＭ｜：逦逦逦逡逑１００００－＝逦ＱＦ２；邋｝ｊａＡＥｃ逡逑？逦：逦咏』，严逦１１１逡逑＾｜１000１邋＾３ＪＦＭ：（Ｅ￡ｖＪｓｆ逦ｉ逦１邋ｎ逡逑幢＿逡逑Ｓｉ逦ＧａＡｓ邋３Ｃ－ＳＣ邋６Ｈ－ＳｉＣ邋４Ｈ－Ｓ？Ｃ邋ＧａＮ逡逑Ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑图１．３以Ｓｉ材料为基准的不同半导体材料性能比较逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋Ｐｅｒｆｏ
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN303

【参考文献】