不同栅氧退火工艺下的SiC MOS电容及其界面电学特性

SiC MOS电容的电学特性和栅氧界面特性是评价和改进SiC MOS器件制造工艺的重要依据。通过依次测试SiC MOS器件的氧化物绝缘特性、界面态密度、偏压温度应力不稳定性(偏压温度应力条件下的平带电压漂移)、氧化物陷阱电荷密度和可动电荷密度的方法,对分别经过氮等离子体氧化后退火(POA)处理、氮氢混合等离子体POA处理、氮氢氧混合等离子体POA处理、氮氢氯混合等离子体POA处理的SiC MOS电容的电学特性和栅氧界面特性进行了分析。结果表明,该方法可以系统地评价SiC MOS电容电学特性和栅氧界面特性,经过氮氢氯混合等离子体POA处理的SiC MOS电容可以满足高温、大场强下长期运行的性能指标。

高压SiC器件电流互感器型取能装置耦合电容特性和抑制研究

高压碳化硅(SiC)器件驱动电路的隔离电源面临更高的dv/dt冲击,极易引起强共模干扰而导致器件失效。高频电流互感器(HCT)型取能是一种新型高压SiC器件隔离取能方法,但是其耦合电容与结构参量关联特性不清,难以有效提升抗dv/dt性能和实现小型化。该文首先,构建了HCT型隔离取能结构的三维仿真模型,系统地探究了其关键结构参量(隔离距离、偏心位置、绕组绕制方式、匝数等)对耦合电容的影响特性;然后,提出了HCT型取能结构多参量影响下的耦合电容优化方法,同等体积下达到耦合电容最小;最后,通过实验验证了所述方法和所研装置的有效性。结果表明,仅通过调整HCT型隔离取能结构穿心位置可降低约20%的耦合电容,所研取能装置隔离容值仅为0.74pF,比传统设计和同类商业产品分别降低了55%和70%,最大无局部放电电压达到15.5 kV。

单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响.研究表明应变可以有效调控本征和N掺杂4H-SiC的带隙,在拉应变作用下,带隙单调减小;而在压应变作用下,带隙先增大后减小,当压应变为-1%时,带隙达到最大值.对态密度的分析可知本征和N掺杂4H-SiC的价带顶主要来自Si 3p和C 2p态电子,导带底主要来自Si 3p态电子,C 2p态和Si 3p态通过影响价带顶和导带底从而导致应变结构中带隙发生变化.通过Mulliken布局和差分电荷密度分析可知,随着晶格常数的增加Si原子向C原子和N原子转移的电荷减少,同时Si-C原子和Si-N原子之间的共价性减弱.

基于SiIGBT与SiCFET并联的新型混合器件特性解析及对比研究

对由SiC FET与Si IGBT并联组成的新型混合器件(HY_F)开展研究。首先,分析HY_F的基本结构与工作原理,并搭建HY_F的导通损耗模型、开通损耗模型以及关断损耗模型。其次,基于混合器件的仿真模型,分析HY_F与传统Si IGBT/SiC MOSFET混合器件(HY_M)在不同额定电流等级下损耗与成本的优劣势。仿真结果表明,当额定电流为较小(15 A)时,HY_M能以较低的成本实现更低的损耗;混合器件在额定电流较大(25 A、40 A)时,HY_F能以更低的成本实现更低的损耗。最后,通过实验验证结论的正确性。

连续吸波SiC纤维增强SiOC陶瓷基复合材料的高温吸波性能

利用带原位BN涂层的吸波SiC纤维为增强体,以硅氧碳(SiOC)陶瓷为基体,采用先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备SiC-BN/SiOC陶瓷基复合材料。在7个PIP制备周期后复合材料实现致密化,密度为2.05 g/cm^(3),孔隙率为4.28%。采用矢量网络分析仪测试介电常数,结合传输线理论对复合材料在8.2~18 GHz下室温至800℃的吸波性能进行计算优化。结果表明:SiC-BN/SiOC复合材料的室温介电常数呈现出明显的频散效应,使其具有良好的宽频吸波特性。当复合材料厚度为2.1 mm时,在X波段和Ku波段反射损耗优于-10 dB的最大频宽为5.7 GHz。此外,复合材料的复介电常数实部和虚部随着环境温度的升高而增大。在宽频反射损耗优于-5 dB的水平下,材料的最优厚度由2.3 mm(200℃)降至1.1 mm(800℃)。

SiC基辐射伏特电池研制及性能优化

为提升辐射伏特电池(简称辐伏电池)的总转换效率和输出功率,综合考虑耗尽区宽度、扩散长度及电极结构等因素对电荷收集效率、总转换效率及输出功率的影响,通过优化换能器件及电极结构,成功制备出总转换效率及输出功率较高的63Ni-SiC基PIN结换能器件。所制备的辐伏电池的短路电流、开路电压、输出功率及总转换效率分别达到了10.29~13.43 nA·cm^(-2)、1.32~1.44 V、11.66~14.69 nW·cm^(-2)及2.24%~2.82%。与团队之前的工作相比,开路电压、FF因子及总转换效率分别平均提高了127.50%、114.47%及512.10%,且总转换效率高于文献报道的结果(0.5%~1.99%)。结果表明:通过采用具有“浓度梯度层Ⅰ层”的PIN结构、优化结区宽度和掺杂浓度,以及优化电极材料和结构,可显著提升辐伏电池的总转换效率和输出功率,为辐伏电池的设计与制备提供了重要的理论参考和实验依据。

基于SiC器件的高压宽范围直流辅助电源

辅助电源是电力变换装置中的重要组成部分,在太阳能发电站等系统中,需应对高压宽范围输入下的稳定运行挑战。针对单管反激电源在高压宽范围输入导致的高电压应力、高成本以及低效率问题,该文基于级联反激变换器,首先进行了开关模态分析,深入研究计及寄生参数的开关工作过程;然后在此基础上,建立级联反激变换器的精确数学模型,研究了各核心元器件对电路性能的影响,并提出一种参数设计方法;最后基于SiC器件,搭建了一台300~1 500V输入、24 V输出的100 W辅助电源样机,变换器全工况运行中最高效率达到93.4%。结果验证了所设计的高压宽范围辅助电源方案的有效性。在低成本、宽输入范围和高电压应力条件下,保证了辅助电源的高效转换。

Li掺杂对4H-SiC光电性质影响的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Li掺杂4H-SiC体系的电子结构及光学性质.结果表明,掺杂前后的4H-SiC均为间接带隙半导体,Li原子间隙掺杂后形成n型半导体,Li原子替位式掺杂体系的禁带中出现了杂质能级,降低了电子跃迁时所需的能量;对电荷差分密度图的分析表明,Li原子失去电子,导致Li-C键和Li-Si键的共价性降低,以离子性为主;在可见光区域,相比于4H-SiC体系,掺杂体系的吸收率峰值均有所提高,其中Li间隙掺杂体系吸收带边最小,吸收率峰值最大,掺杂后的4H-SiC体系对红外、可见光、紫外均能够有所吸收,说明Li掺杂能够有效拓宽4H-SiC对光的响应范围.

一种基于开尔文封装的SiC MOSFET器件键合线状态监测方法

随着SiC MOSFET器件的广泛应用,其可靠性问题备受关注。键合线失效是SiC MOSFET器件故障的主要原因,因此需要对其进行状态监测以保证器件的正常运行。文中提出一种基于开尔文封装的SiC MOSFET器件键合线状态监测方法。当键合线失效时,其等效阻抗会发生变化,故在开尔文源极和功率源极之间注入恒定的高频脉动电流,将阻抗的变化转换为开尔文源极和功率源极两端电压的变化,通过该电压对键合线健康状态进行监测。实验结果表明,所提方法监测参量的变化可以直观地反映失效键合线的数目。该方法通过外加高频脉动电流源实现对键合线的监测,只需测量对应电压,参数提取简单,特征参量与键合线失效关系明显,无需复杂的数据处理和计算;此外,还不受源极电流等功率回路参数和驱动回路的影响,电路结构精简可靠,具有在线监测的潜力。

SiC及其复合材料的发展与应用

碳化硅(Silicon Carbide,SiC)作为第三代半导体材料,因其出色的物理和化学性质在众多领域展现出巨大应用潜力。从结构(Structure)、性质(Properties)、应用(Applications)3个方面介绍了SiC材料,对SiC材料在半导体行业中的应用现状和发展前景进行了简要综述,为SiC材料的研究提供了新视角。

316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能

TIG熔覆是经济高效的表面修复方法,与传统的预置粉末法相比,同轴送粉法具有优良的适应性,但是试验研究相对较少.自主设计制造了环状同轴送粉TIG熔覆焊枪,与管状同轴送粉TIG熔覆焊枪相比,制造的熔覆层不存在熄弧位置凹坑、焊缝不够平直以及焊缝熔宽不一致等问题,而且具有更高的熔覆效率.结果表明,采用优化的焊接热输入、送粉量和SiC含量参数匹配,在316L不锈钢表面进行环状同轴送粉TIG熔覆,获得了外观优良的单层单道熔覆层、单层多道熔覆层.对熔覆层进行显微硬度测量、微观组织及元素成分分析、宏观电化学腐蚀试验、微区电化学腐蚀试验以及耐磨性能测试,并与母材进行了比对,环状同轴送粉TIG熔覆导入的SiC粉末有效地提升了熔覆层的耐蚀性与耐磨性.

有机模板孔径和烧结温度对SiC泡沫陶瓷结构和性能影响

SiC泡沫陶瓷作为一种新型多孔材料,因其强度高、硬度高、耐腐蚀、耐高温等优异性能,被广泛应用于冶金、石油化工、航空航天、生物医学等领域。以SiC为主要原料,Al_(2)O_(3)为烧结助剂,采用有机模板浸渍法制备了SiC泡沫陶瓷,研究了有机模板孔径和烧结温度对SiC泡沫陶瓷宏微观形貌、相组成、孔隙率及压缩性能的影响。结果表明:随着有机模板孔径由35 ppi增至20 ppi,SiC泡沫陶瓷的孔隙率由48.3%升至75.6%,而抗压强度由1.94 MPa降至0.40 MPa。随着烧结温度由1350℃提高至1500℃,SiC泡沫陶瓷的孔隙率由78.7%降至68.3%,抗压强度先升后降。在1450℃制备的SiC泡沫陶瓷样品抗压强度最高(1.45 MPa),其孔隙率为71.6%,孔结构完整、颗粒堆积紧密,针眼孔洞、裂纹以及脆性方石英相较少。

纳米SiC颗粒对镁合金搅拌摩擦焊接头性能影响研究

为提高AZ31镁合金焊接接头的综合性能,文章分别研究了无纳米SiC-1道次、添加纳米SiC-1道次和SiC-4道次的搅拌摩擦焊焊接接头,通过光学显微镜、显微硬度仪和拉伸试验机分析了焊接接头的微观组织与力学性能;利用电化学工作站研究了接头的腐蚀行为,采用扫描电镜、EDS和XRD分析了接头的腐蚀形貌、元素成分和物相组成。结果表明,搅拌摩擦焊焊接接头成形良好、无缺陷;接头焊核区组织为均匀的等轴状晶粒,焊接道次的增加可有效改善SiC颗粒的分布情况,异质形核位点的存在起到了晶粒细化的作用,提高了接头的力学性能;在3.5%NaCl溶液腐蚀试验中,含SiC颗粒的接头耐腐蚀性能提升,其中SiC-4道次的接头耐腐蚀性能最佳。

SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。

SiC_(f)/Ti65复合材料的拉伸行为研究

采用磁控溅射先驱丝法结合热等静压工艺制备SiC_(f)/Ti65复合材料,研究了SiC_(f)/Ti65复合材料室温、高温拉伸行为,揭示了SiC_(f)/Ti65复合材料拉伸断裂机制。研究结果表明:SiC_(f)/Ti65复合材料的室温、高温抗拉强度相比于Ti65合金的抗拉强度分别提升29%和164%,验证了复合材料的增强效果。SiC_(f)/Ti65复合材料的室温拉伸断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、基体脆性断裂、纤维断裂、包套韧性断裂;高温断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、纤维断裂、W/SiC界面脱粘、基体和包套韧性断裂。

高压大功率SiC MOSFETs短路保护方法

碳化硅(SiC)MOSFETs短路承受能力弱,研究其短路保护方法成为保障电力电子设备安全运行的重要课题。现有方法大多围绕低压小功率SiC MOSFETs,然而随着电压和功率等级的提升,器件特性有所差异,直接套用以往设计难以实现高压大功率SiC MOSFETs的快速、可靠保护。该文首先详细研究了几种常用短路检测方法;其次基于高压大功率SiC MOSFETs器件特性,深入对比分析了不同短路检测方法的适用性,提出一种阻容式漏源极电压检测和栅极电荷检测相结合的短路保护方法;最后搭建了实验平台验证所提方法的可行性。结果表明,提出的方法在硬开关短路故障(hard switching fault,HSF)下,保护响应时间缩短了1.4μs,短路能量降低了62.5%;且能可靠识别负载短路故障(fault under load,FUL)。

SiC纤维增强高温合金复合材料界面问题研究进展

高温合金因其强度高、用量大,已成为先进航空发动机主干材料之一。但高温合金密度大,会给发动机带来结构超重、效率低下等问题。如何降低高温合金构件重量、提高发动机效率是新型轻量化耐高温结构材料的研究重点。SiC纤维增强高温合金复合材料在减重方面展现出了潜在优势,在航空航天领域具有广阔的发展前景。SiC纤维与高温合金的界面反应问题一直是复合材料研制过程中的关键难点。为了改善界面相容性,避免高温合金与纤维发生剧烈反应,最常采用的方法是在纤维与高温合金之间添加扩散阻挡层,但是涂层材料在成型过程中容易破裂,无法起到阻挡作用。多组元构筑是一种有效的妥协方法,能够降低界面数量,有效阻止纤维被侵蚀。本文立足于SiC纤维增强高温合金复合材料的研发进展,探讨了复合材料的界面问题,对界面改善方法进行了总结,并对复合材料的界面设计进行分析和阐述。

高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

化学气相沉积SiC涂层反应特性及沉积过程的模拟研究

借助基于有限元原理的COMSOL软件和分子动力学模拟原理的Reax FF软件对化学气相沉积技术制备SiC涂层的反应特性及沉积过程进行模拟研究,为高温抗氧化复合涂层体系中SiC中间层的工艺优化及制备提供理论支持。结果表明,化学气相沉积SiC涂层过程包括前驱体三氯甲基硅烷(CH_(3)SiCl_(3))的扩散过程和热解反应过程,SiC涂层在扩散过程不会生长,仅从10^(−4)s后的热解反应过程开始生长,沉积生长过程同时伴随涂层的解离。随着入射粒子能量的增大,单位时间内沉积到基底表面的Si和C粒子数不断增加。提高粒子入射能量有利于提高SiC涂层的致密度,当入射粒子能量大于2 eV时可以实现SiC涂层的均匀生长,而当入射能量高于6 eV时,解离的Si和C粒子数量增大,不利于SiC涂层的生长。综合而言,当入射能量为3 eV时,化学气相沉积的SiC涂层综合性能最佳。

连续SiC纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能实验及损伤

本研究开展了TC4和SiC_(f)/TC4实验件的力学性能实验、45°铺层的失效模式实验,并对损伤过程进行声发射监测,建立了TC4和SiC_(f)/TC4轴结构有限元计算模型。研究发现SiC_(f)/TC4轴结构承载性能优于TC4轴结构,正负交替铺层的设计最佳,并与实验结果进行了对比,验证了模型有效性。基于Hashin失效准则,结合声发射监测结果,计算并分析了[45°]6轴结构在反向扭转载荷和[45°]10轴结构在正向扭转载荷作用下的损伤过程。结果显示[45°]6轴结构承扭性能更高,损伤过程为慢变过程,结构在承扭时损伤几乎伴随加载过程发生,此时轴结构稳定性差。[45°]10轴结构比[45°]6轴结构承扭性能差,但损伤过程为快变过程,损伤过程是发生在断裂前的一瞬间。此种情况下,纤维、基体和界面均发挥了其最大的优势,轴结构在承扭过程中相对稳定。