题名碳化硅功率MOSFET的工作状态对电离辐射损伤特性的影响研究
作者杨圣
答辩日期2021-05-31
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院新疆理化技术研究所
导师余学峰
关键词SiC功率MOSFET 电离总剂量效应 高功率 开关频率 长期可靠性
学位名称硕士
学位专业物理电子学
英文摘要

SiC功率MOSFET相比于Si 器件在高频、高效、高电流密度等应用环境具有巨大的竞争优势。这些优势对于不断追求轻型化,小型化,低功耗的航天电子工业界来说具有强烈的吸引力,使得碳化硅功率MOSFET在航天领域有着极为广阔的应用前景。目前国内外对碳化硅功率MOSFET的辐射研究主要集中在探究器件工艺,栅偏置,温度等条件对辐射退化的影响,而对于功率器件特殊或极端工作条件,如高电压、大电流、高频等对器件辐射损伤特性以及长期可靠性的影响的研究目前尚不全面、系统。SiC功率MOSFET空间应用的场景一般是电力变换和驱动系统,其工作功率往往高达数千瓦,工作电压高达上千伏特,工作电流达到几十安培,工作频率从 KHz到MKHz,因此,深入研究辐射环境下SiC功率MOSFET在不同电压、电流以及频率等工作条件下的辐射效应及其与可靠性退化之间的关系,对于应用SiC功率MOSFET的新一代航天系统的高效,可靠,长期工作具有重要意义。为此本文选取国内外主流商用SiC功率MOSFET为研究对象,对器件在电离总剂量辐射环境下的不同工作功率,不同工作频率以及重复雪崩应力下的退化规律和机理进行了深入研究,研究结果表明:静态工作偏置条件下,碳化硅功率MOSFET 在关态状态下,漏源间工作电压对器件的总剂量效应的影响不大,但导通状态下,在一定电流范围内,器件的总剂量辐射损伤会随着漏源工作电流的增大明显增大,在电流较大时,辐射损伤反而会被抑制。这一结果说明,SiC功率MOSFET的总剂量辐射损伤评估,有必要考虑实际应用中工作电流大小对器件辐射损伤特性影响。动态信号偏置条件下,碳化硅MOSFET的总剂量辐射损伤会随着工作频率的提高而显著增大。研究还发现,高频工作条件下,采用负低电平信号可以一定程度抑制器件的辐射损伤,而在低频工作条件下应用负电位,其总剂量退化反而会加剧。理论分析认为这主要是氧化层边界陷阱作用的结果。这一研究结果启示我们:SiC功率MOSFET在空间实际应用时,在条件容许情况下应尽量选择低频工作条件,高频应用条件下,则可考虑施加负低电平电压,从而有效提高SiC功率MOSFET的抗辐射能力。SiC功率MOSFET雪崩应力辐照实验结果显示,一定能量的重复雪崩应力和总剂量辐照之间存在一种协同作用,雪崩后的器件的总剂量辐照会出现漏电流异常增大,辐照后进行重复雪崩应力发现氧化陷阱电荷很快退火,分析这主要和雪崩造成的高电场对SiC/SiO2界面的作用有关。这一研究结果表明,除了静态参数外,动态参数也应是考察SiC功率MOSFET抗辐射能力并进行抗辐射加固的的一个重要指标。综上,本文基于SiC功率MOSFET应用的特殊条件,如高功率,高频,以及重复雪崩应力等应用条件,对总剂量环境下元器件的辐射退化规律进行了较为深入的探索与研究,获得了具有一定创新性的研究结果,为SiC功率MOSFET抗辐射能力的试验评估和加固提供了思路、方法和途径。

页码89
内容类型学位论文
源URL[http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/7917]  
专题固体辐射物理研究室
推荐引用方式
GB/T 7714
杨圣. 碳化硅功率MOSFET的工作状态对电离辐射损伤特性的影响研究[D]. 中国科学院新疆理化技术研究所. 中国科学院大学. 2021.
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