دراسات موثوقية SiC MOSFET- أخبار إلكترونيات الطاقة

أدى الأداء المتفوق لوحدات MOSFET من كربيد السيليكون في تطبيقات التحويل عالية الطاقة إلى استخدامها على نطاق واسع في بعض مجالات النمو الرئيسية ، مثل التحكم في محركات المحركات الصناعية. أحد مقاييس الأداء الرئيسية لأجهزة أشباه موصلات الطاقة في هذا التطبيق هو قدرتها على تحمل ماس كهربائى (SC). يمكن أن تؤدي البيئة القاسية التي تعمل فيها محركات المحركات إلى مستويات تيار زائد من حالات الأعطال مثل أحداث إطلاق العاكس وانهيار العزل في لفات المحرك. وبالتالي ، تعد قدرة SC أحد اختبارات الموثوقية التي يقوم بها مصنعو الأجهزة على أجزائهم. الاختبار فريد من نوعه لأن الجهاز يخضع لجهد عالٍ وتيار عالٍ لفترات ضغط معينة مع نبض البوابة.

كان البروفيسور أغاروال وفريقه في جامعة ولاية أوهايو في طليعة إجراء دراسات الموثوقية على جوانب مختلفة من أجهزة SiC.^1-5 في هذه المقالة ، سنراجع بعض النتائج من عملهم ونلقي الضوء على بعض التحسينات في قدرة SC من قبل مجموعات مختلفة. يعد وقت تحمل الدائرة القصيرة (SCWT) مقياسًا رئيسيًا يستخدم لقياس قدرة الجهاز على تحمل SC. السيليكون IGBTs المستخدمة تقليديا في مثل هذه التطبيقات لها SCWTs متفوقة ، كما هو موضح في الجدول 1.

تظهر الاستجابة لحدث SC في SiC MOSFET في الشكل 1. هذه من عمليات محاكاة لـ 1.2 كيلو فولت SiC MOSFET¹ وإظهار التيارات العالية ودرجات الحرارة نتيجة لحدث اللجنة العليا.

العوامل التي تحد من SiC MOSFET SCWT

يوضح الشكل 2 مقطعًا عرضيًا لجهاز VDMOS المستوي SiC. كما هو موضح ، تم تحديد ثلاث نقاط ضعف في هذا الجهاز.⁵

عادةً ما يكون المعدن العلوي للجهاز عبارة عن الألومنيوم ، الذي تبلغ درجة انصهاره 660 درجة مئوية. يمكن أن تؤدي كثافات الطاقة العالية أثناء حدث SC إلى درجات حرارة تتجاوز هذا. يمكن للألمنيوم أن يذوب وينتشر عبر حدود الحبيبات في طبقة التخميل تحتها ، مما قد يؤدي إلى تلف كارثي في ​​الجهاز.

نظرًا لأن حركة قناة الانعكاس في SiC أقل بكثير من تلك الموجودة في Si بسبب مصائد حالة الواجهة ، فإن سماكة أكسيد البوابة المستخدمة في SiC (عادةً 40-50 نانومتر) أقل بكثير من 100 نانومتر المستخدمة عادةً في Si لمصدر بوابة مماثل الجهد (V_gs) التقييمات. نتيجة لذلك ، يمكن أن يكون المجال الكهربائي عبر الأكسيد أعلى بكثير تحت جهد مصدر التصريف الأقصى (V_س) الظروف ويمكن أن تخلق نفقًا عبر أكسيد البوابة ، والذي بدوره يمكن أن يؤدي إلى شحنة محاصرة في الأكسيد وتحويل جهد عتبة الجهاز (V_العاشر). مقاومة أعلى للجهاز في الحالة (R_{DS (تشغيل)}) نتيجة لذلك يمكن أن يؤدي أيضًا إلى ردود فعل إيجابية لزيادة درجة حرارة الجهاز. سيؤدي ذلك إلى زيادة تيار SC.

طول القناة (L._الفصل) في SiC MOSFETs عادة في نطاق 0.5 ميكرومتر أو أقل ، أقل بكثير من 1 ميكرومتر أو نحو ذلك المستخدمة عادة في الطاقة Si MOSFETs. هذا أيضًا للتعويض عن حركة القناة المنخفضة. القصير L_الفصل يمكن أن تخلق الموصلية العالية للإخراج والتشبع الحالي (I._dsat) بسبب انخفاض الحاجز الناجم عن التصريف عند ارتفاع V_س، مما يؤدي إلى تبديد أعلى للطاقة وانخفاض SCWT.

يوضح الشكل 3 تدفق حدث داخل الجهاز من حدث SC. من الواضح أن خفض الجهاز الأول_dsat وما يترتب على ذلك من ارتفاع في درجة الحرارة سيكون مفتاحًا لتحسين متانته لمقاومة مثل هذا الحدث.

طرق تحسين متانة SC

طول القناة (L_الفصل) ، عرض JFET (W_JFET) ، سماكة أكسيد البوابة (T._ثور) ، سمك طبقة الانجراف

زيادة L_الفصل، تناقص W_JFET، وزيادة T_ثور يمكن خفض الجهاز أنا_dsat. محاكاة للاستجابة لـ L._الفصل و_JFET الاختلافات^1،6 هو مبين في الشكل 4. دبليو_JFET الاختلاف له تأثير ملحوظ على تيار SC. سمكا T_ثور من شأنه أيضًا أن يجعل البوابة أكثر قوة ضد تيار التسرب من المصدر إلى البوابة (I._gss). يمكن أن تساعد منطقة الانجراف الأكثر سمكًا في السعة الحرارية للجهاز وتقليل إمكانية الوصول إلى الجهد العالي_س تحيز. كل هذه التغييرات للأسف ستزيد أيضًا من R للجهاز_{DS (تشغيل)}.

الخامس_س، الخامس_gs خفض تصنيف الجهد ، وظروف القيادة

أعلى V._س أو أعلى V._gs يقلل SCWT للجهاز ،⁵ كما هو موضح في الشكلين 5 (أ) و 5 (ب) على التوالي. يتم الحصول على هذه المؤامرات من قياسات SC التي تم أخذها على 1200-V SiC MOSFETs من مختلف مصنعي الأجهزة (كما هو موضح D و E و F في الشكل 5 (ب)). الاستجابة مقابل V._س، تم إجراؤه عند V._gs من 20 فولت ، يُظهر أيضًا ذيل V._gs شكل الموجة مع الوقت في أعلى V_س، مشيرا إلى أنا_gss تسرب. يتم جمع الشكل 5 (ب) عند V._س من 800 فولت ويظهر بيانات من جهاز 1200-V Si IGBT على سبيل المقارنة. يتم زيادة عيب هذا التصنيف R_{DS (تشغيل)}أو يموت المنطقة.

دراسة شيقة⁷ وجدت SCWTs محسّنًا بنسبة 10٪ إلى 20٪ عندما يكون V سالبًا_gs تم استخدام إيقاف التشغيل على الجهاز مقارنة بـ 0 فولت ، مع التفكير في أن الحث الإضافي من سائق البوابة السلبية يساعد في تقليل ذروة تيار SC.

استخدام ف⁺ منطقة الدرع تحت P-well

استخدام ف⁺ ستعمل المنطقة الموجودة أسفل البئر P الموضحة في الشكل 1 على الحد من وصول جهد التصريف تحت الجهد العالي_س التحيز ، وحماية منطقة JFET للجهاز بشكل فعال وخفض I_dsat.^6،8 يوضح الشكل 6 المحاكاة مقابل L._الفصل، على غرار المحاكاة المستخدمة في الشكل 4 ولكن مع P.⁺ وشملت الدرع. بمقارنة البيانات بين الشكلين 4 و 6 ، يخفض الدرع I_dsat للجهاز ويزيد SCWT. ميزة هذه الطريقة هي أن R_{DS (تشغيل)} لا ينبغي أن تتأثر.

حسنا الهندسة

يعمل استخدام بئر P أعمق بكثير كصفيحة شبه مجال ، مما يقلل من المجال الكهربائي عند واجهة أكسيد البوابة في منطقة JFET ، كما يمنع تسرب القناة عند ارتفاع V_س. طريقة جديدة لتحقيق ذلك باستخدام غرسة قناة بإمالة 4 درجات أسفرت عن نتائج واعدة للغاية ،⁹ ليس فقط في تحسين الخصائص الثابتة مثل جهد الانهيار وتسرب القناة عند ارتفاع V_س، حتى مع حرف L._الفصل، ولكن أيضًا في SCWT. يوضح الشكل 7 مفهوم البئر الأعمق بكثير ويوضح الشكل 8 التحسين الذي تم تحقيقه في SCWT. ميزة مهمة هي أن المقايضة قليلة جدًا في R._{DS (تشغيل)} يظهر ، مع تحسن كبير ~ 4 × SCWT إلى 8 µs.

موسفيت الخندق

في الخندق SiC MOSFET ، من غير المرجح أن تتعرض البوابة لأقصى مجال كهربائي. لذلك ، فإن SCWT أفضل من تلك التي تم تحقيقها في MOSFETs المستوية. دراسات⁷ أظهرت SC طاقات تحمل (∫الخامس_س × أنا_س خلال الفترة الزمنية لحدث SC) بحوالي 50٪ أكبر بالنسبة لخنادق FETs ذات التصنيفات المماثلة للأجهزة المستوية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي التحسينات في هيكل الخندق الأساسي إلى تحسين R_{DS (تشغيل)} مع خفض أنا أيضًا_dsat وتحسين SCWT. مثال على ذلك هو الجيل الرابع الذي أعلنت عنه شركة ROHM حديثًا عن MOSFET مزدوج الخندق من SiC.¹⁰

مصدر مضمن المقاوم

يمكن قمع تيارات الدائرة القصيرة عن طريق استبدال جزء من مقاومة القناة بمقاومة مصدر مضمنة إضافية (R_س) ، كما هو موضح في الشكل 9.¹¹ لقد تم إثبات أن الدوائر المتكاملة المتعددة MOSFETs المزودة بمحرك R_س لا يمكن أن تتمتع المنطقة بمقاومة عالية فقط في دائرة قصر ولكن أيضًا مقاومة منخفضة في نطاق درجة حرارة عملي. يمكن أن يساعد استخدام معدن ذو معامل درجة حرارة موجب قوي بين تقاطع المصدر وأعلى معدن الألمنيوم في الحد من ارتفاع I_dsat مع درجة الحرارة.

تم توضيح العديد من الطرق الأخرى المستندة إلى الدوائر لتحسين SCWT والتي لن تتم مناقشتها هنا. أيضًا ، يجب أن يعمل سائقي البوابة جنبًا إلى جنب مع MOSFETs لضمان إيقاف تشغيل محرك الأقراص ضمن حدود مواصفات MOSFET. ومن ثم ، فإن محركات بوابات الاكتشاف السريع ستكون جزءًا أساسيًا من جهود التطوير هذه.

تباين SCWT لبائع معين

تم اختبار SCWTs الخاصة بـ SiC MOSFETs التجارية من بائعين مختلفين من قبل مجموعة البروفيسور Agarwal في جامعة ولاية أوهايو. تم اختبار أجهزة متعددة لكل بائع. تم رسم تباين SCWT لكل بائع في الشكل 10. لوحظ تباين SCWT مهم لمورد معين. على الأرجح ، ترجع هذه الاختلافات في SCWT إلى الاختلافات المرتبطة بالعملية في طول القناة وعرض JFET.

مراجع

¹مادي وآخرون. (2021). “الطريق إلى تقنية ترانزستورات متينة وميسورة التكلفة للطاقة المصنوعة من SiC.” طاقات 2021.

²ليو وآخرون. (2020). “دراسات موثوقية أكسيد البوابة لوحدات MOSFET التجارية بطاقة 1.2 كيلو فولت 4H-SiC.” ندوة IEEE الدولية لفيزياء الموثوقية (IRPS).

³شينغ وآخرون. (2019). “خصائص التشبع الحالية واختبارات الدائرة القصيرة أحادية النبضة لوحدات الترانزستورات الفلورية المصنوعة من SiC.” مؤتمر ومعرض تحويل الطاقة IEEE (ECCE).

⁴شينغ وآخرون. (2020). “3.3 كيلو فولت SiC MOSFET أداء وقدرة ماس كهربائى.” ورشة عمل IEEE حول الأجهزة ذات فجوة الحزمة الواسعة والتطبيقات في آسيا (WiPDA-Asia).

⁵شينغ وآخرون آل. (2022). “1200-V SiC MOSFET تقييم صلابة الدائرة القصيرة وطرق تحسين وقت الصمود.” مجلة IEEE للموضوعات الناشئة والمختارة في إلكترونيات الطاقة.

⁶سوفندو وآخرون. (2022). “محاكاة غير متساوية الحرارة لقدرة ماس كهربائى DMOSFET SiC.” المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية.

⁷بشار وآخرون. (2021). “مقارنة بين أوضاع فشل الدائرة القصيرة في دوائر MOSFET المستوية SiC و SiC Trench MOSFETs و SiC Cascode JFETs.” IEEE 8^العاشر ورشة عمل حول الأجهزة والتطبيقات ذات فجوة الحزمة الواسعة (WiPDA).

⁸نجوين وآخرون (2015). “مشكلات موثوقية أكسيد البوابة لوحدات الترانزستورات الفلورية المصنوعة من SiC في ظل تشغيل دائرة قصر.” معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة.

⁹كيم وآخرون. (2021). “صلابة محسّنة للدارة القصيرة لـ 1.2 كيلو فولت 4H-SiC MOSFET باستخدام بئر P عميق تم تنفيذه عن طريق زرع القناة.” رسائل جهاز IEEE الإلكتروني.

¹⁰يمكن العثور على بعض التفاصيل حول خندق Rohm من الجيل الرابع SiC MOSFETs في www.rohm.com/products/sic-power-devices/sic-mosfet.

¹¹حتا وآخرون (2017). “قمع قصر الدائرة بمقاومة المصدر المضمنة في SiC-MOSFET.” المؤتمر الدولي حول كربيد السيليكون والمواد ذات الصلة.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة