碳化硅MOSFET静动态特征参数温控特性的研究

发布时间：2020-11-21 16:45

　　 尽管硅(Si)功率器件的技术已经成熟,但是固有的材料极限使它们在高压、高频、高温和高功率应用中的性能受到了限制。因此诸如碳化硅(SiC)等宽带隙功率半导体器件开始变得更具吸引力,并且有可能在不久的将来在某些应用领域内取代硅器件。与硅相比,碳化硅材料具有许多优异的性能,如更高的临界电场,相对高的电子迁移率和更高的导热率,理论上碳化硅MOSFET有可能在很高的温度(300℃)下工作。随着电力电子器件在恶劣环境中面临更广泛的应用,碳化硅MOSFET在高温环境下的运行能力也越来越受到关注。本文依托国家科技部的国家重点研发计划项目“高压大功率SiC材料、器件及其在电力电子变压器中的应用示范”,对碳化硅MOSFET静动态特征的参数温控特性进行了研究。本文将理论研究与实验验证相结合,详细的分析了室温到200℃高温下碳化硅MOSFET静态和动态特性的温控特性。然后设计了碳化硅MOSFET高温栅偏实验,研究了长时间高温栅偏后器件静态特性参数的稳定性,并对器件栅极氧化层的可靠性进行评估。研究结果表明,虽然碳化硅MOSFET具有十分敏感的温度特性,但是在200℃的高温下依旧具有良好的电气性能,并且与硅器件相比具有极低的漏电流和良好的阻断能力以及更低导通电阻。碳化硅MOSFET的总开关损耗对温度并不敏感。此外,长时间的高温栅偏之后,除阈值电压正向漂移外,其他静态特性参数都具有十分优异的稳定性。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

华北电力大学硕士学位论文??这为系统的体积容量、效率甚至工作温度都带来了很多有利之处。目前，在所??有宽禁带半导体材料中，碳化硅和氮化镓是最有前景的１４１。图１－１比较了硅、??碳化硅、氮化镓的几种材料属性ｍ。碳化硅和氮化镓（？３ｅＶ）的禁带宽度几乎??是硅（？ｌｅＶ）的三倍之多。碳化硅和氮化镓的击穿电场强度幅值上比硅材料高??一个数量级。高阻断电场强度可以使得宽禁带功率器件的设计更薄，电压阻断??层的掺杂更高。对于单极性功率器件，这可以产生一个更低的通态压降导通损??耗。对于双极型功率器件，这可以使得开关时间更短，开关损耗更低。碳化硅??的高热导和大禁带宽度使得碳化硅器件的工作温度很容易达到２０（ＴＣ以上，所??有这些特性都使得宽禁带半导体器件很有可能取代硅器件。??禁带宽度??（ｅＶ）??４外＼??热导率击穿电场??（Ｗ／ｃｍ－ｋ）＼＼?ｖ；?／?／?（ｌ〇Ａ６Ｖ／ｃｍ）??＼＼???－－－＼／?／?／?－Ａ－ＧａＮ??＼?＼／＾?ｊ??饱和漂移二?——电子迁移￥??（１０Ａ７ｃｍ／ｓ）?（１０Ａ３ｃｍ２／Ｖ＊ｓ）??图ｉ－ｉ材料属性??在过去几年中，碳化硅和氮化镓材料品质的明显改善，使得碳化硅和氮化??镓功率器件己经实现了产业化，特别是碳化硅肖特基二极管，碳化硅ＭＯＳＦＥＴ??和碳化硅ＪＦＥＴ己经投入市场。自从２００１年英飞凌推出首款商用碳化硅肖特基??二极管以来，碳化硅技术的发展和市场增长势头强劲。其中图１－２总结了一些??碳化硅关键的发展里程碑［６１。到目前为止

华北电力大学硕士学位论文??２－２（ｂ）所示。由式（２－４）和式（２－５）可以看出本征载流子浓度与温度的倒数??呈正比，因此图２－ｌ（ａ）的横轴采用温度的倒数，但是为了使本征载流子浓度与??温度更容易联系起来，所以增加图２－２（ｂ）。??ｆ同＿??：?Ｘ：?：：：：、：??：＾?；?ｉ?：?：?：?：?：?：?：?！?：?ｉ??ｊｑ－ｉ｜?ｒ?．?１?．?＞?．?＞?．?■?．?ｉ?．?ｉ?．?Ｉ?．?Ｉ?｜Ｑ－ｉｉ?ｆ?．?ｉ?．?＞?．?ｉ?．?ｔ?．Ｎ?ｉ?．??３００?３５０?４００?４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００?１．０?１．５?２．０?２．５?３．０?３．５?４．０??温度／Ｋ?１００／温度／（１／Ｋ）??（ａ）本征载流子浓度与温度的关系?（ｂ）本征载流子浓度与温度倒数的关系??图２－１本征载流子浓度??２．１．１．２杂质罔化率??在碳化硅材料中，每个碳原子或者硅原子最外层都有四个电子，当最外层??都有五个电子氮原子或磷原子替换了原来的碳原子或者硅原子时，其中四对电??子形成稳定的电子对并多余出－个电子形成Ｎ型半导体，当最外层都有个电子??铝原子或硼原子替换了原来的碳原子或者硅原子时，其中四对电子形成稳定的??电子对并多余出一个空穴形成Ｐ型半导体。??１．０，?；?－ＴＴ：?????一．．．．．．——Ｉ０，５ｃｍ．．＇?１．０．?ｙ???．?????／?／?—?—?ＩＯＫ＞ｃｍ＇？?ｆ?ｆ?ｚ．?－?．??〇?８?．?

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本文编号：2893300