SiC JFET的短路失效模型及其失效机理研究

以SiC JFET作为短路失效研究的器件,基于Matlab/Simulink仿真软件,建立SiC JFET的短路失效模型,同时添加迁移率模型和沟道泄露电流,其中,迁移率模型考虑了场强和温度变化,泄露电流考虑了Ith、Idiff、Iav三种电流分量,使短路失效模型更优于以往JFET失效模型。使用TCAD半导体器件仿真软件拟合了在短路失效时SiC JFET内部沟道电流的比重分布和走向路径等情况。结果表明:SiC JFET短路失效的主要原因是温度的迸发式增长,产生大量热集中于漏源极沟道处,从而产生泄露电流。最后,在此基础上,探究了SiC JFET的重复应力短路退化现象,以此进一步研究JFET器件的短路失效机理。

寄生参数对基于常通型SiC JFET器件的中压直流固态断路器过电压的影响及抑制方法

研究了寄生电感对基于常通型碳化硅(silicon carbide,SiC)结型场效应晶体管(junction field effect transistor,JFET)串联结构的中压直流固态断路器(solid state circuit breaker,SSCB)过电压的影响,并在此基础上提出了一种SSCB的过电压抑制方法。首先介绍了基于常通型SiC JFET器件串联结构的SSCB拓扑及工作原理,建立了考虑完整回路寄生电感的SiC JFET串联结构开关过程的数学模型。其次利用MATLAB软件对数学模型进行解析计算,揭示了SSCB开关过程中寄生电感对SiC JFET器件串联运行时过电压的影响机理,并利用PSPICE仿真结果验证了理论分析的正确性。最后设计了一种适用于SSCB过电压抑制的单栅极驱动及缓冲电路,并通过SSCB实验样机验证了所提方法的有效性。

基于级联常通型SiC JFET的快速中压直流固态断路器设计及实验验证

固态断路器(solid state circuit breaker, SSCB)是直流配电网中实现快速、无弧隔离直流故障的关键保护装置。首先提出了一种基于级联常通型碳化硅(silicon carbide, SiC)结型场效应晶体管(junction field effect transistor, JFET)的新型中压直流SSCB拓扑,直流故障发生时利用金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor, MOV)向SSCB主开关级联常通型SiC JFET器件的栅源极提供驱动电压,可快速实现直流故障保护。其次详细分析了SSCB关断和开通过程的运行特性,并提出了SSCB驱动电路关键参数设计方法。最后研制了基于3个级联常通型Si C JFET器件的1.5 kV/63 A中压SSCB样机,通过短路故障、故障恢复实验验证了设计方法的有效性。结果表明该SSCB关断250 A短路电流的响应时间约为20μs,故障恢复导通响应时间约为12μs,为中压直流SSCB的拓扑优化设计和级联常通型Si C JFET器件的动静态电压均衡性能提升提供了支撑。

JFET构成的运算放大器输入过压保护电路设计

为弥补传统运算放大器输入过压保护电路中电阻加钳位二极管结构的缺陷,设计一种新型输入过压保护电路。电路采用中科渝芯4μm双极工艺完成设计,主要由结型场效应管器件JFET以及钳位二极管构成,利用JFET沟道夹断原理使过压电流最终趋于饱和,实现过压保护功能。采用对称性设计,使正负过压下饱和过压电流相等。经仿真实验,结果表明此款运算放大器的输入过压保护电路相较传统结构噪声更小,对过压电流具有更强的限制作用,具有一定的应用价值。

基于实验与仿真的SiC JFET单粒子效应研究

我国航天事业发展迅速,大型空间平台的建设以及高性能电推进系统的应用对功率半导体器件的性能提出了越来越高的要求。SiC高压功率器件抗辐射研究亟待突破。对SiC JFET器件施加不同的偏置电压,进行重离子辐照实验,实验表明,SiC JFET器件存在与SiC MOSFET类似的单粒子漏电退化与单粒子烧毁2种失效模式,漏电退化程度与漏极偏置电压、重离子注量呈正相关。通过Sentaurus TCAD仿真研究,单粒子辐照之后分为2个阶段,第1阶段P^(+)栅极区与N-漂移区的PN结局部温度达到2500 K,热应力可能是造成漏电退化的原因;第2阶段N^(+)衬底和N-漂移区结处局部温度持续上升,超过SiC材料的升华温度,导致SiC JFET器件烧毁。该研究为SiC JFET器件的抗辐射加固与空间应用提供了一定的参考与支撑。

基于SiCJFET的深海中压DC/DC变换器用双线双向阻断固态断路器设计

固态断路器具备快速切断故障电流的能力。在深海中压DC/DC变换器应用场景下,为了实现DC/DC的黑启动以及配合水下电缆的漏电检测功能,文章提出一种双线双向阻断固态断路器设计方案,其仅采用串联SiCJFET作为主开关,通过电流检测短路故障,实现快速故障切除。文章研究了串联均压电路的参数设计方法,并搭建了样机实验平台。实验结果表明,该直流固态断路器具备双线双向的阻断能力,关断时间为4.5μs,实现了较好的主开关器件静、动态均压效果,具有现实可行性。

一种高压精密低输入偏置电流JFET型放大器

基于40 V高压互补双极性结型晶体管(BJT)兼容结型场效应晶体管(JFET)工艺,设计了一种高压精密低输入偏置电流JFET型放大器,介绍了放大器总体架构以及工作原理。电路内部采用JFET输入器件降低输入偏置电流,提高带宽,用修调电阻降低输入失调电压;采用四核跨导结构优化中间级提高运放的压摆率;输出级采用互补推挽输出结构防止交越失真,同时提高功率驱动能力;偏置电路利用JFET作恒流源,保证在不同工作电压下稳定供电。芯片流片测试结果表明,该放大器在±5~±13 V工作电压条件下,输入失调电压≤80μV;输入偏置电流≤1.5 pA;开环增益≥107 dB;增益带宽积≥25 MHz;压摆率≥50 V/μs。

横向增强型双侧栅结构GaN JFET优化设计

提出了一种新型横向双侧栅结构的GaN JFET,并通过SILVACO软件对器件的沟道宽度、沟道电子浓度和p-GaN空穴浓度进行了优化,得到了阈值电压和输出电流与器件参数之间的变化规律,通过参数优化得到了增强型GaN JFET的结构参数条件。随后对设计的横向双侧栅结构增强型GaN JFET器件进行了击穿特性研究,发现当沟道长度短至0.5μm时,会出现严重的短沟道效应;当沟道长度大于1μm后,器件击穿电压由栅极与漏极间寄生PN结反向击穿决定,与沟道长度无关;采用RESURF(Reduced surface field)终端结构可以显著提升器件击穿电压,优化后的增强型GaN JFET器件击穿电压超过1200 V。此外,采用p型GaN缓冲层替代n型GaN缓冲层,能够有效提高器件的栅控能力。

大动态范围高线性JFET压控电阻

工作在三极管区的JFET广泛用作可变电阻 ,但是其狭小的工作范围和ID～VDS的非线性关系 ,限制了它的应用 .本文用简单的方法 ,扩大了可变电阻区的动态范围 ,消除了非线性 ,并能实现压控正电阻和压控负电阻 .

6H-SiC JFET输出特性及其中子辐照模型

基于沟道调制效应、串联电阻效应的考虑 ,首先建立了一个和实验室符合很好的 6H-Si C JFET的模型 ,在该模型中采用了两级电离杂质模型和 Caughey-Thomas方程 ,接着在分析中子辐照对 Si C JFET电参数如电子浓度、迁移率、电阻率和空间电荷区密度影响的基础上 ,对 Si C JFET在室温和 30 0℃时的辐照响应进行了模拟。

面向低压高频开关应用的功率JFET的功耗

提出了一种埋氧化物槽栅双极模式功率JFET(BTB-JFET),其面向低压高频开关应用。首次通过仿真对BTB-JFET、常规的槽栅双极模式JFET(TB-JFET)和槽栅MOSFET(T-MOSFET)等20V级的功率开关器件在高频应用时的功率损耗进行了比较。仿真中借鉴现有的高性能T-MOSFET的结构尺寸,并采用了感性负载电路对器件进行静态以及混合模式的电特性仿真,结果表明,常开型BTB-JFET与TB-JFET相比,零偏压时栅漏电容CGD减小25%;当工作频率为1MHz和2MHz时常开型TB-JFET与T-MOSFET相比总功耗分别降低了14%和19%,而常开型BTB-JFET较TB-JFET的总功耗又进一步降低了6%。仿真结果还表明,在不同工作频率下,常闭型JFET的性能都不如T-MOSFET。样管初步测试结果证明,常开型BTB-JFET与TB-JFET相比,零偏压时栅漏电容CGD减小45%,与仿真结果相一致。

JFET区注入对大功率VDMOS击穿电压和导通电阻的影响

研究了JFET区注入对大功率VDMOS器件击穿电压和导通电阻的影响,分析讨论了JFET区注入影响击穿电压的机理,并定量给出JFET区注入对导通电阻的影响。通过器件数值模拟优化JFET区注入剂量,并根据仿真结果改进器件设计,在满足击穿电压要求的前提下导通电阻降低了8%。

JFET输入运算放大器不同剂量率的辐照和退火特性

本文对几种不同型号的JFET输入双极运算放大器在不同剂量率(1、0.1、0.01及10-4、6.4×10-5Gy(Si)/s)辐照下的响应规律及随时间变化的退火特性进行了研究。结果显示,由于制作工艺相异,不同型号JFET输入双极运放对不同的剂量率辐照也表现出响应差异,但总的来说可分为三大类:第一类明显具有低剂量率辐照损伤增强效应,但同时又有时间效应的关系;第二类虽有不同剂量率的辐照损伤的差异,但这种差异可通过相同时间的室温退火来消除;第三类无剂量率效应,但有明显的“后损伤”现象。文中对引起电路辐照损伤差异的机理进行了探讨。

正常工作状态与零偏置JFET输入运算放大器的辐射损伤

对处于正常工作和零偏置状态的JFET输入运算放大器,进行了高低剂量率辐射试验。结果表明,工作状态影响JFET运放电路的辐射效应和辐射损伤。正常工作状态下,JFET输入运算放大器表现出时间相关效应,而零偏置状态下则具有低剂量率损伤增强效应。高剂量率或低剂量率辐射情况下,正常工作的JFET输入运放电路参数退化大于或小于零偏置状态。高剂量率辐射会在JFET输入运放的基本单元双极晶体管产生氧化物正电荷和界面陷阱。从氧化物正电荷和界面态与工作状态的关系方面,对JFET运放电路的退化行为进行了解释。

一款JFET低噪声前置放大器的设计

为了与传感器相匹配,得到放大器的最小噪声系数,本文从对结型场效应管的等效输入电压噪声eN及等效输入电流噪声iN的分析中,得到结型场效应管的最佳源电阻比双极型晶体管要高出2～3个数量级的结论,并设计制作了一款结型场效应管低噪声前置放大器实用电路。并对其幅频特性、输入阻抗和等效输入电压噪声进行了测量,结果表明其输入阻抗高达71MΩ,等效输入电压噪声约为0.87nV/(Hz)^(1/2),是一种适合于高内阻传感器的较为理想的低噪声前置放大器电路,也可以通过阻抗变换后用于磁力仪等需要低噪声放大的场所。

两种考虑温度影响的SiC JFET仿真模型

针对目前物理建模方法参数获取困难、行为建模方法需要大量实验数据的问题,该文提出两种简单易用的考虑温度影响的Si C JFET功率器件Saber环境建模方法。模型I基于Saber软件提供的JFET模板实现,问题的难点转化为如何准确提取建模对象Si C JFET的相关模板参数;模型II根据器件厂商提供的Si C JFET的PSpice模型,在Saber环境中搭建相应的电路实现,问题的难点转化为如何分析透彻器件厂商提供的模型中各参数的物理意义,并如何调整这些参数使其能准确模拟建模对象的静态和动态特性。该文详细阐述两种仿真模型的特点及具体实现方法,并从静态特性和动态特性两个方面,从仿真和实验两个角度,验证两种仿真模型的正确性和有效性,比较两种建模方法的适用性。

SiC JFET与SiC MOSFET失效模型及其短路特性对比

建立了两种碳化硅(SiC)器件JFET和MOSFET的失效模型.失效模型是在传统的电路模型的基础上引入了额外附加的泄漏电流,其中,SiC JFET是在漏源极引入了泄漏电流,SiC MOSFET是在漏源极和栅极引入了泄漏电流;同时,为了体现温度和电场强度与失效的关系,用与温度和电场强度相关的沟道载流子迁移率代替了传统电路模型所采用的常数迁移率.有关文献的实验结果和半导体器件的计算机模拟(Technology Computer Aided Design,TCAD)验证了两种SiC器件失效模型的准确性.所建立的失效模型能够对比SiC JFET和SiC MOSFET的短路特性.

运算放大器中JFET对管的制作技术及其发展前景

JFET与双极器件相结合,可以获得高速/宽带/高输入阻抗的运算放大器。但由于工艺水平的限制,Bi-JFET单片兼容工艺中的场效应器件的特性并不很理想,影响了电路的性能。目前的高性能场效应运放,基本上是采用高性能JFET对管与纵向p-n-p、n-p-n混合组装而成。本文分析了场效应运放中场效应器件制作技术的发展,提出了两种新的单片高性能JF-ET对管与高性能纵向p-n-p、n-p-n兼容工艺,以期能结合自动稳零技术,制造出单片高速、宽带、高输入阻抗、低失调、高精度运放。

6H-SiC JFET的高温特性

分析和模拟了SiC JFET在高温下出现的栅电流。模拟结果反映出在温度高于700K以后栅电流对SiC JFET的影响将越来越显著,在此基础上该文建立起了一个6H-SiC JFET的高温模型。模型中采用了SiC的两极电离杂质模型和Caughey-Thomas方程。在300-773K的温度范围内,模型的模拟结果和实验数据相符。

新型固体LBCAST JFET图像传感器

尼康公司的D2H单反数字相机中使用了一种新型的固体图像传感器LBCASTJFET。该器件在读数方式、内部结构等方面有了较大改进,与CCD、CMOS图像传感器比较具有瞬时启动、高灵敏度、高分辨率、低能耗、成品率高和低噪声等特色。