Temperature Fluctuation Synthesis/Simultaneous Densification and Microstructure Control of Titanium Silicon Carbide (Ti_3SiC_2) Ceramics

A novel temperature fluctuation synthesis/simultaneous densification process was developed for the preparation of Ti3SiC2 bulk ceramics. In this process. Si is used as an in-situ liquid forming phase and it is favorable for both the solid-liquid synthesis and the densification of Ti3SiC2 rainies. The present work demonstrated that the temperature fluctuation synthesis/simultaneous densification process is one of the most effective and simple methods for the preparation of Ti3SiC2 bulk materials providing relatively low synthesis temperature. short reaction time; and simultaneous synthesis and densification. This work also showed the capability to control the microstructure, e.g., the preferred orientation, of the bulk Ti3SiC2 materials simply by applying the hot pressing pressure at different Stages of the temperature fluctuation process. And textured Ti3SiC2 bulk materials with {002} faces of laminated Ti3SiC2 grains normal to the hot pressing axis were prepared.

Influence of pyrolysis temperature on structure and dielectric properties of polycarbosilane derived silicon carbide ceramic

β-SiC ceramic powders were obtained by pyrolyzing polycarbosilane in vacuum at 800-1200 °C. The β-SiC ceramic powders were characterized by TGA/DSC, XRD and Raman spectroscopy. The dielectric properties of β-SiC ceramic powders were investigated by measuring their complex permittivity by rectangle wave guide method in the frequency range of 8.2-18 GHz. The results show that both real part ε′ and imaginary part ε″ of complex permittivity increase with increasing pyrolysis temperature. The mechanism was proposed that order carbon formed at high temperature resulted in electron relaxation polarization and conductance loss, which contributes to the increase in complex permittivity.

适用于SiC MOSFET的漏源电压积分自适应快速短路保护电路研究

SiC MOSFET因其高击穿电压、高开关速度、低导通损耗等性能优势而被广泛应用于各类电力电子变换器中。然而,由于其短路耐受时间仅为2~7μs,且随母线电压升高而缩短,快速可靠的短路保护电路已成为其推广应用的关键技术之一。为应对不同母线电压下的Si C MOSFET短路故障,文中提出一种基于漏源电压积分的自适应快速短路保护方法(drain-sourcevoltageintegration-basedadaptivefast short-circuit protection method,DSVI-AFSCPM),研究所提出的DSVI-AFSCPM在硬开关短路(hardswitchingfault,HSF)和负载短路(fault under load,FUL)条件下的保护性能,进而研究不同母线电压对DSVI-AFSCPM的作用机理。同时,探究Si CMOSFET工作温度对其响应速度的影响。最后,搭建实验平台,对所提出的DSVI-AFSCPM在发生硬开关短路和负载短路时不同母线电压、不同工作温度下的保护性能进行实验测试。实验结果表明,所提出的DSVI-AFSCPM在不同母线电压下具有良好的保护速度自适应性,即母线电压越高,短路保护速度越快,并且其响应速度受Si CMOSFET工作温度影响较小,两种短路工况下工作温度从25℃变化到125℃,短路保护时间变化不超过90 ns。因此,该文为Si CMOSFET在不同母线电压下的可靠使用提供一定技术支撑。

SiC MOSFET开关瞬态解析建模综述

在评估和优化半导体器件开关瞬态特性领域,解析模型因具有简单、直观、应用便捷等优点得到广泛研究。相较同等功率等级的硅基功率器件,碳化硅(silicon carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)可以应用于更高开关速度,其开关瞬态特性更为复杂,开关瞬态解析建模也更加困难。该文总结现有的针对SiC MOSFET与二极管换流对的开关瞬态解析建模方法,在建模过程中依次引入各种简化假设,按照简化程度由低到高的顺序,梳理解析建模的逐步简化过程。通过对比,评估各模型的优缺点以及适用场合,对其中准确性、实用性都较强的分段线性模型进行详细介绍;之后,对开关瞬态建模中关键参数的建模方法进行总结与评价;最后,指出现有SiC MOSFET开关瞬态解析模型中存在的问题,并对其未来发展给出建议。

SiC DC/DC变换器电磁辐射干扰优化

碳化硅SiC(silicon carbide)开关器件具有更快的开关速度与更高的工作频率,被广泛应用于DC/DC变流器。但是SiC器件的高工作频率会产生强烈的电磁辐射干扰,为了优化DC/DC变流器内部结构,实现更高的功率密度,提出一种SiC DC/DC变换器电磁辐射干扰的优化方法。文中首先分析了变流器的电磁辐射干扰源特性,根据DC/DC电路扑拓结构建立了空间电磁辐射模型,然后基于电磁辐射模型和模拟退火算法,对DC/DC变换器元件布局进行低电磁辐射优化,优化后的布局方案减少了60.2%的高频导线长度。最后,进行三维有限元仿真分析进行验证,所提出方法能优化SiC DC/DC变换电路布局,将敏感电路上产生的电场强度降低两个数量级。

采用大芯片的高功率密度SiC功率模块设计

碳化硅SiC(silicon carbide)器件具备耐高压、低损耗和高热导率等优势,对电动汽车行业发展具有重要意义。提出一种利用大芯片封装的SiC MOSFET功率模块设计,并开展实验分析模块的电气性能;搭建仿真对仅有电特性与电特性和温度负反馈结合这2种情况下模块温度进行对比研究。仿真结果表明,在相同工作条件下,采用大芯片封装设计的SiC MOSFET功率模块导通电流能力更强,温度变化更小,电气性能有所提升。

A review of manufacturing technologies for silicon carbide superjunction devices

Superjunction technology is believed to reach the optimal specific on-resistance and breakdown voltage trade-off.It has become a mainstream technology in silicon high-voltage metal oxide semiconductor field effect transistor devices.Numerous efforts have been conducted to employ the same concept in silicon carbide devices.These works are summarized here.

SiC MOSFET高温栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)具有优良的电学和热学特性,是一种前景广阔的宽禁带半导体材料。SiC材料制成的功率MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)非常适合应用于大功率领域,而高温栅氧可靠性是大功率MOSFET最需要关注的特性之一。通过正压高温栅偏试验和负压高温栅偏试验对比了自研SiC MOSFET和国外同规格SiC MOSFET的高温栅氧可靠性。负压高温栅偏试验结果显示自研SiC MOSFET与国外SiC MOSFET的阈值电压偏移量基本相等,阈值电压偏移量百分比最大相差在4.52%左右。正压高温栅偏试验的结果显示自研SiC MOSFET的阈值电压偏移量较小,与国外SiC MOSFET相比,自研SiC MOSFET的阈值电压偏移量百分比最大相差11%。自研器件占优势的原因是在SiC/SiO2界面处引入了适量的氮元素,钝化界面缺陷的同时,减少了快界面态的产生,使总的界面态密度被降到最低。

Preparation of Silicon Carbide with High Properties

In order to prepare silicon carbide with high properties, three kinds of SiC powders A, B, and C with different composition and two kinds of additives, which were Y2O3-A12O3 system and Y2O3-La2O3 system, were used in this experiment. The properties of hot-pressed SiC ceramics were measured. With the same additives, different SiC powder resulted in different properties. On the other hand, with the same SiC powder, increasing the amount of the additive Y2O3Al2O3 improved properties of SiC ceramics at room temperature, and increasing the amount of the additive Y2O3-La2O3 improved property SiC ceramics at elevated temperature. In addition. the microstructure of SiC ceramics was studied by scanning electron microscopy.

SiC MOSFET驱动特性及器件国产化后的影响分析

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)作为一种新型、广泛应用的开关器件,在实际应用中具有更快的开关速度和更低的器件损耗,可以提高变换器的效率,体现更好的性能。针对SiC MOSFET驱动特性,分析寄生参数对其的影响;搭建双脉冲实验平台,分析栅源电压与SiC MOSFET导通时间的关系;针对现有国产SiC MOSFET存在的不足之处,基于搭建的实验平台及其他电源产品,对SiC MOSFET进行国产化器件替代后导通时间、驱动损耗及负压幅值变化的相关分析。

SiC MOSFET器件高温下最大电流导通能力评估方法

碳化硅SiC(silicon carbide)器件被认为是一种良好的耐高温半导体器件,高功率密度和高温应用需要更深入地研究损耗和散热问题。研究了SiC MOSFET功率模块在高温下的最大电流导通能力,考虑了电气性能和散热的相互关系。在建立SiC MOSFET器件的热电耦合模型配合系统散热模型的基础上,分析了热失控过程的机理。通过热电联合仿真确定了一款SiC功率模块高温下的电流容量,与实验结果相比误差约为4%,验证了所提方法的有效性。

一种改进型抑制SiC MOSFET桥臂串扰的门极驱动设计

针对传统驱动中SiC MOSFET在高开关频率下其寄生参数造成的桥臂串扰更加严重,而现有抑制串扰驱动电路多以增加开关损耗、增长开关延时和增加控制复杂度为代价的问题,根据降低串扰产生过程中驱动回路阻抗的思路,提出1种在栅源极间增加PNP三极管串联二极管和电容的新型有源米勒钳位门极驱动设计,分析其工作原理,并对改进驱动电路并联电容参数进行计算设计;搭建直流母线电压为300 V的同步Buck变换器双脉冲测试实验平台,分别与传统串扰抑制电路、典型串扰抑制电路的正负向串扰电压尖峰抑制效果和开通关断速度进行对比分析。实验结果表明,所提串扰抑制驱动电路正负向电压尖峰分别比传统和典型串扰抑制电路降低了80%和40%,同时减少了32%的器件开关延时。

动态高温反偏应力下的SiC MOSFET测试平台及其退化机理研究

为研究SiC MOSFET在动态漏源应力下的退化机理,开发了一种具有dVds/dt可调功能、最高可达80 V/ns的动态反向偏置测试平台。针对商用SiC MOSFET进行动态高温反偏实验,讨论高电压变化率的动态漏源应力对SiC MOSFET电学特性的影响。实验结果显示,器件的阈值电压和体二极管正向导通电压增加,说明器件JFET区上方的栅氧层和体二极管可能发生了退化。通过Sentaurus TCAD分析了在高漏源电压及高电压变化率下平面栅型SiC MOSFET的薄弱位置,在栅氧层交界处和体二极管区域设置了空穴陷阱,模拟动态高温反偏对SiC MOSFET动静态参数的影响。

SiC高温压力传感器动态性能研究

面向航空发动机测试等恶劣复杂测试环境中动态压力测试需求,本文从芯片及封装结构设计、性能模拟仿真、器件制作工艺及传感器动态性能测试方面对碳化硅(SiC)高温压力传感器动态性能进行了系统研究。仿真结果表明:传感器频响为32.4kHz,上升时间为40μs。测试结果表明:传感器的频响不低于5kHz,上升时间为93μs。此传感器具有动态响应频率高、冲击信号响应速度快特点,为航空发动机内脉动压力测量提供了技术支持。

水热法合成MnO_(2)/SiC活化过单硫酸盐降解亚甲基蓝研究

过渡金属活化过单硫酸盐(peroxymonosulfate,PMS)降解有机污染物在高级氧化领域有着重要的应用价值。通过水热法在碳化硅(SiC)表面负载二氧化锰(MnO_(2))制备出MnO_(2)/SiC复合催化剂,用于活化PMS降解去除水体中的亚甲基蓝(methylene blue,MB)。实验结果表明:MnO_(2)以颗粒的形式均匀附着在SiC表面,MnO_(2)/SiC-PMS体系在40 min内对MB的降解效率达到99%;MnO_(2)/SiC-PMS体系还可以在较宽的pH范围内(5.0~9.0)实现对MB较高的降解效率;5 mmol/L的Cl^(−)与NO^(−)_(3)对MnO_(2)/SiC-PMS体系均无明显影响。磷酸盐与碳酸氢盐对氧化自由基具有猝灭作用,导致MnO_(2)/SiC-PMS体系对MB的降解效率下降。自由基猝灭实验表明,MnO_(2)/SiC-PMS体系中起主要作用的自由基为O_(2)^(-·)。此外,MnO_(2)/SiC具有良好的循环使用性。

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。

Relation between Modulus of Elasticity and Compressive Strength of Ultrahigh-Strength Mortar with Mixed Silicon Carbide as Fine Aggregate

Ultrahigh-strength mortar mixed surface-oxidized silicon carbide as a fine aggregate was prepared by means of press-casting followed by curing in an autoclave. The relation between modulus of elssticity up to 111 GPa and compressive strength up to 360 MPa of mortar mixed silicon carbide was discussed and it was revealed that the contributions of the aggregate hardness and of the interfacial strength between the aggregate and the cement paste on the elasticity of mortar were imporant.

SiC MOSFET器件栅氧可靠性研究综述

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field effect transistor)因具有高压、高频、低导通损耗等优异特性而获得产业界广泛关注,但相比于硅基IGBT,SiC/SiO_(2)栅氧界面高缺陷密度引起的栅氧可靠性问题成为制约SiC MOSFET器件规模化应用的关键瓶颈。通过对近年来国内外SiC MOSFET栅氧可靠性研究成果的梳理和分析,阐述了当前栅氧可靠性问题的形成原因,归纳总结了各类常用的栅氧可靠性评估方法,并进行了比较分析,最后重点探讨了极端工况下SiC MOSFET栅氧可靠性及其提升技术的发展现状。

高温栅偏和电子辐照对SiC MOSFET阈值电压影响研究

为研究栅氧化物在不同老化程度下电子辐照对SiC MOSFET可靠性的影响,结合高温栅偏和电子辐照2种实验对SiC MOSFET电学特性进行分析,讨论栅氧化物受到高温和强电场应力后电子辐照对SiC MOSFET阈值电压的影响。为避免封装材料在高温和电子辐照下对阈值电压产生影响,实验时将被测器件裸露于空气中。实验结果表明,高温正栅偏后器件阈值电压对电子辐照更加敏感,因此提出了电子辐照对SiC MOSFET高温栅偏老化后阈值电压影响的指数关系,且0.2 MeV电子能量辐照300 kGy剂量可将39 V、150℃、2 h高温栅偏后的器件阈值电压恢复至初始值。在Sentaurus TCAD仿真软件中建立SiC MOSFET基础数值模型,设置氧化物内电子浓度和空穴陷阱,模拟高温栅偏和电子辐照对器件阈值电压的影响,讨论阈值电压恢复机制。

3C-SiC纳米线的化学气相沉积法制备及超声裁剪研究

3C-SiC又称β-SiC,有着优异的耐高温、耐腐蚀、耐辐照性能,是反应堆这类复杂环境中的理想材料。近年来,一维碳化硅纳米线材料成为碳化硅材料研究领域的热门研究方向,同时也面临加工手段匮乏、加工难度大的问题。我们通过化学气相沉积法成功制备了含有高密度堆叠层错的3C-SiC纳米线,并采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)、X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)以及拉曼光谱(Raman spectrum)等多种手段对制备出来的碳化硅纳米线进行了微观结构表征,揭示了其独特的微观形态和晶体结构特征;进一步研究了超声裁剪碳化硅纳米线,利用“气泡-射流”模型结合碳化硅纳米线的形态解释了碳化硅纳米线的超声裁剪过程,探索了碳化硅纳米线的直径、强度、缺陷等对其在超声过程中断裂行为的影响。本研究为碳化硅纳米线的超声裁剪加工和纳米线的强度研究提供了新的视角,对于未来碳化硅纳米线在核能领域的应用具有重要的意义。