碳化硅功率场效应功率晶体管仿真模型及其驱动研究

研究碳化硅结型场效应功率晶体管的静、动态性能及仿真模型,针对高速开关时的碳化硅器件开关震荡,提出有效抑制震荡与减小容性电流影响的碳化硅功率晶体管驱动电路。在分析器件半导体物理结构、测量碳化硅器件特性参数的基础上建立器件仿真模型,通过器件开关特性的仿真,分析了电路的驱动电压、开关速度、dv/dt及不同的驱动情况下对驱动电路压降的影响。结果表明,碳化硅结型场效应功率晶体管具有通态电阻低、损耗小、开关速度高的特点,驱动电路能有效地工作于高频状态下,开关震荡小,有利于器件应用在高性能的电力电子装置中。

3000V 10A 4H-SiC结型场效应晶体管的设计与制造

介绍了一种常开型高压4H-SiC JFET的仿真与制造工艺。通过仿真对器件结构和加工工艺进行优化,指导下一步的工艺改进。在N+型4H-SiC衬底上生长掺杂浓度(ND)为1.0×1015 cm-3,厚度为50μm的N-外延层,并采用本实验室开发的SiC JFET工艺进行了器件工艺加工。通过测试,当栅极偏压VG=-6V时,研制的SiC JFET可以阻断3 000V电压;当栅极偏压VG=7V、漏极电压VD=3V时,正向漏极电流大于10A,对应的电流密度为100A/cm2。

采用耗尽型的碳化硅纵向结型场效应管简化高压开关电源

为数字控制和门驱动电路必需的高压开关电源(SMPS)的起动电路由若干个有功耗的分立元件组成。为精简此电路,本文在级联结构(Cascode Configuration)中使用新型的1700V、1.4Ω的耗尽型碳化硅纵向结型场效应管(VJFET),使它在开关电源工作中担负两种作用。首先,JFET为控制器/IC提供起动电流,以取消额外的起动电路,同时又作为开关电源的主要开关元件。这种双重作川对开关电源而言,减少了元件数量,节省了空间,提高了效率,降低了系统成本。

双栅无结型场效应晶体管的设计与优化

利用三维数值仿真工具,对双栅无结型场效应晶体管进行了数值模拟,研究了沟道掺杂浓度深度分布对晶体管性能的影响,并对比分析了当沟道长度缩小到10nm及以下时器件的电学特性。仿真结果表明,相比于沟道为均匀掺杂分布的器件,具有中间低的沟道掺杂深度分布的双栅无结型场效应晶体管具有更优的开关电流比、漏致势垒降低、亚阈值斜率等电学性能和短沟道特性。

一种新型超级联碳化硅结型场效应管

提出了一种改进型超级联碳化硅结型场效应管。首先从传统超级联碳化硅结型场效应管入手,分析了其缺陷和不足之处。然后阐述了改进型超级联碳化硅结型场效应管的内部结构和工作原理,给出了元器件选择的依据与方法。对改进型超级联碳化硅结型场效应管的导通和开关特性进行了测试,实验测试得出改进型超级联碳化硅结型场效应管的阻断电压超过4 500 V,25℃时开关时间小于80 ns,开关损耗约为15 m J,具有良好的开关特性。

SiC结型场效应功率晶体管特性及其驱动设计

SiC结型场效应功率晶体管(JFET)是目前较成熟的宽禁带功率半导体,具有良好的电气性能。但在使用过程中,JFET存在常态下开通的特性与开关时du/dt对驱动电压影响较大的问题。在分析器件等效电路的基础上,从理论上讨论了du/dt对驱动电压的影响,并提出一种驱动电路。该驱动电路采用电平转化电路及有源吸收电路,实现了控制电路信号与SiC器件驱动信号逻辑电平匹配;同时,在高速开关时,能有效减小容性电流对驱动电压的影响,可靠开关SiC器件。最后,给出了驱动信号、驱动电压变化及器件开关过程的实验波形,证明了驱动电路的有效性。

结型场效应晶体管低频噪声测试方法研究

在深入研究JFET低频噪声特性及产生机理的基础上,提出了一种通过测试宽频带功率谱密度得到其规定频率处等效输入噪声电压功率谱密度和噪声系数的测试方法,并给出了低频噪声测试的偏置电路、测试设备和测试方法。结合3DJ4和3DJ6型JFET器件的测试结果表明,采用本文提出的方法可适用于JFET的低频噪声的测试。

结型场效应晶体管的主要参数的探讨

本文讨论了结型场效应晶体管的几个主要参数 。

GeSn/Ge异质无结型隧穿场效应晶体管

提出了一种新型GeSn/Ge异质无结型隧穿场效应晶体管(GeSn/Ge-hetero JLTFET)。该器件结合了直接窄带隙材料GeSn与传统JLTFET的优点,利用功函数工程诱导器件本征层感应出空穴(p型)或电子(n型),在无需掺杂的前提下,形成器件的源区、沟道区和漏区,从而避免了使用复杂的离子注入工艺和引入随机掺杂波动。该器件减小了隧穿路径宽度,提高了开态电流,获得了更陡峭的亚阈值摆幅。仿真结果表明GeSn/Ge-hetero JLTFET的开态电流为7.08×10^-6 A/μm,关态电流为3.62×10^-14 A/μm,亚阈值摆幅为37.77 mV/dec。同时,GeSn/Ge-hetero JLTFET的相关参数(跨导、跨导生成因子、截止频率和增益带宽积)的性能也优于传统器件。

场效应晶体管短路失效的数值模型

为了分析碳化硅和硅两种材料的场效应晶体管的短路失效机理,利用半导体器件模拟软件建立了能够反映碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管短路失效的数值模型。模型引入了自热效应模拟高电应力下晶体管内部温度变化及热传递过程,引入了福勒-诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿和蒲尔-弗朗克(Poole-Frenkel)发射模拟氧化层的泄漏电流;短路实验结果验证了所建立的数值模型的准确性。通过对比两种晶体管数值模型在相同的短路条件下栅极驱动电压的变化、晶体管内电流线和温度的分布,结果表明,碳化硅场效应晶体管的短路失效主要是晶体管内的温度传递到表面引起金属电极的熔化以及栅极氧化层的严重退化,而硅场效应晶体管的短路失效是由于寄生双极型晶体管的导通导致其体内泄漏电流不可控而引起的灾难性的破坏。

亚微米栅长的高速大功率GaInAsP/InP结型场效应晶体管

由于激光二极管与驱动电路的单片集成能除去不希望有的谐振或限制带宽的寄生元件,所以人们对此工艺很感兴趣。在高比特率的系统中,GaInAsP/InP激光二极管被广泛用作高速光源,因此,值得研究一下用与InP晶格匹配的材料制作晶体管的可行性。最近广泛地研究了InP衬底上制作的结型场效应晶体管(JFET),并采用如GaInAs那样的高电子迁移率材料以及采用短栅长(1μm)结构来改进晶体管的性能。日本富士通实验室采用液相外延生长法成功地制作出大功率、高速GaInAsP/InP JFET,在这种器件中由于采用了短栅制作工艺,所以得到的跨导较高(160mS/mm)。

结型场效应晶体管测试仪

设计电路时，每当需要很高的输入阻抗、高工作频率和相对较低的噪声时，结型场效应晶体管便成为最佳选择。本文描述了一个简单的测试仪，它能够测量结型场效应晶体管的两价目主要参数。

结型场效应晶体管的主要参数的探讨

本文讨论了结型场效应晶体管的几个主要参数,找出影响它们的主要因素。

碳化硅超结器件的研究进展

碳化硅(SiC)材料由于其出色的物理和化学特性,非常适用于制造高温和大功率半导体器件。虽然SiC功率二极管和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)展示了出色的器件性能,并获得广泛的应用,但是其单极型器件的一维理论极限仍限制了传统器件性能的进一步提升。超结(SJ)作为一种在硅基器件中广泛应用的技术,能明显改善器件击穿电压和比导通电阻之间的折中关系,提升器件的性能。近年来,SiC SJ器件逐渐成为研究的热点,并取得显著进展。文章从SiC SJ器件的设计与仿真模拟、模型研究和SJ工艺制备技术等方面论述了其最新研究现状及发展方向。

双注入结型场效应管的电流-电压特性

对新型半导体器件——双注入结型场效应管的电流－电压特性进行了详细分析，并得出解析表达式，为该器件的设计和应用提供了理论依据。

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。

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。