يجب أن تُظهر أجهزة الطاقة المستخدمة في التطبيقات الصعبة ، مثل مجموعات نقل الحركة والشبكات الكهربائية ، زيادة في قوة الطاقة. في حين أن SiC و SiC MOSFETs يمكنها تبديد طاقة التيار الزائد عبر الانهيار الجليدي ، فإن GaN HEMTs ليس لديها القدرة على الانهيار الجليدي. تستكشف هذه المقالة متانة الطاقة المفاجئة المتكررة لـ GaN HEMT المصنّف برمز 650 فولت في اختبار التبديل الاستقرائي غير المصحوب (UIS). تعد القدرة على زيادة التيار ومنطقة التشغيل الآمنة تحت هذا الضغط جانبًا رئيسيًا لموثوقية GaN HEMT الشاملة.
الرجاء العثور هنا على المقالة الأصلية
موثوقية GaN HEMT: زيادة متانة الطاقة
على عكس Si و SiC MOSFETs ، لا تتمتع GaN HEMTs بقدرة ذاتية على الانهيار الجليدي بسبب عدم وجود تقاطعات pn بين المصدر والصرف [1].
يسمح نقل الطاقة الرنانة بين السعة الناتجة للجهاز ومحث الحمل بوضع التعزيز (الوضع E) p-gate GaN HEMT لتحمل الطاقة الزائدة ، وفقًا للدراسات الحديثة. يُظهر جهد التصريف إلى المصدر (VDS) الخاص بـ GaN HEMT شكل موجة طنين أثناء هذا النقل. عندما يصل جهد الطنين الذروة إلى جهد الانهيار الديناميكي للجهاز (BV) ، والذي قد يكون مختلفًا بشكل كبير عن جهده الثابت BV [2]و [3]، فشل الجهاز في عابر.
تعمل Cascode GaN HEMTs كجهاز واحد عالي الجهد في الوضع E وتتكون من Si MOSFET منخفض الجهد في الوضع E ووضع استنفاد (وضع D) عالي الجهد GaN HEMT (الشكل 1 أ). تم اكتشاف أن حدود فشل موثوقية كود GaN HEMT تكون أصغر في ظل ضغوط طاقة الزيادة المتكررة مقارنةً بضغوط واحدة. يعرض الجهاز أيضًا تدهورًا كبيرًا بسبب ضغوط الطاقة المتكررة.
اختبار UIS لحدث واحد
DUT عبارة عن رمز تجاري GaN HEMT سعة 650-فولت ، 50 متر مكعب (الشكل 1 ب) في عبوة TO-247 [4]. مكدس على GaN HEMT عبارة عن Si MOSFET عمودي ، حيث يتم توصيل وسادة التصريف الخاصة به كهربائيًا بلوحة مصدر GaN HEMT. جهد انهيار الانهيار الجليدي (BVAVA) لـ Si MOSFET هو 35 فولت وعتبة جهد HEMT (Vth) هي -22 فولت.
يظهر الشكل التخطيطي لدائرة اختبار UIS في الشكل 1 ج. يتكون اختبار معهد اليونسكو للإحصاء من خطوتين. في الأول ، يكون DUT قيد التشغيل ، ويتم شحن محث الحمل بواسطة VDD ؛ في الثانية ، يتم إيقاف DUT ويتم إجبار الطاقة المخزنة في المحرِّض على المرور عبر DUT. يوضح الشكل 1 د صورة لنظام تقييم UIS ، والذي يتضمن اللوحة الأم (مع حلقة الطاقة الرئيسية ومكثفات الناقل) ولوحة الأم (مع DUTs وثلاث نقاط اختبار).
عند دراسة موثوقية GaN HEMT تحت ضغط UIS أحادي الحدث ، لوحظ وضعان للفشل في HEMTs لكود GaN: فترة قصيرة بين استنزاف HEMT والبوابة ، وقصر بين استنزاف HEMT والمصدر. يلخص الشكل 2 (أ) و (ب) أوضاع الفشل وفولتية الفشل البالغة 30 DUTs المقاسة تحت ثلاثة أحجام مختلفة من محاثات الحمل عند 25 درجة مئوية و 150 درجة مئوية ، على التوالي. يوضح الشكل 2 (ج) بدلاً من ذلك نتائج قياس BV لـ 6 DUTs على تتبع المنحنى. تشير هذه النتائج إلى أن وضع الفشل الثاني يكون أكثر اتساقًا تحت ضغط UIS لحدث واحد.
يتم عرض صور المجهر الإلكتروني للمسح المقطعي (SEM) لفشل DUT في هذا الوضع في الشكل 3.
اختبار UIS المتكرر
تم تحديد فترة النبض عند 10 ميكرو ثانية لاختبارات معهد اليونسكو للإحصاء المتكررة. تعد فترة شحن المحرِّض أثناء كل نبضة UIS ، والتي تكون عادةً حوالي 3 µs وثابتة خلال اختبار UIS المتكرر المعين ، ذروة VDS. يوضح الشكل 4 أ أشكال الموجة الخاصة بـ DUT تحت إجهاد UIS واحد بجهد ذروة يبلغ 1.25 كيلو فولت ، وتظهر تلك الموجودة تحت ضغوط UIS المتكررة مع نفس جهد الذروة في الشكل 4 ب ، والشكل الموجي المكبر لـ DUT أثناء يظهر اختبار UIS أحادي الحدث في الشكل 4 ج. أخيرًا ، يوضح الشكل 4 د مقارنة أشكال موجة UIS الخاصة بـ DUT في المرحلتين الأولية والأخيرة من ضغوط UIS المتكررة ذات المليون دورة ، بينما يوضح الشكل 4e شكل موجة فشل DUT تحت اختبار UIS ، والتحقق من صحة الفشل في ذروة عابر VDS ، أي ، نفس سلوكيات فشل UIS مقارنة بـ p-gate GaN HEMT [1].
تم اختبار ما مجموعه 20 DUTs حتى 1 مليون دورة لاستكشاف فشل وتدهور كود Cascode GaN HEMTs تحت ضغوط UIS المتكررة. يمكن بعد ذلك فهم موثوقية GaN HEMT في ظل اختبارات UIS المتكررة وتحديد منطقة التشغيل الآمنة.
مع تجاوز ذروة VDS 1.35 كيلو فولت ، لم يمر أي DUTs بمليون دورة (الشكل 5). تم العثور على DUTs للبقاء على قيد الحياة حوالي 10000 دورة عند ذروة 1.4 كيلو فولت VDS والبقاء على قيد الحياة حوالي 100000 دورة عند 1.35 كيلو فولت ذروة VDS. تعد حدود الفشل الحقيقية لـ cascode GaN HEMT تحت ضغوط UIS المتكررة (حوالي 1.3 كيلو فولت) أقل من الحد الموجود تحت ضغط UIS أحادي الحدث و BV الثابت.
تم اختبار ما مجموعه 4 DUTs تحت ضغوط UIS ذات 1 مليون دورة بجهد ذروة يبلغ 1.25 كيلو فولت و 1.3 كيلو فولت عند كل من 25 درجة مئوية و 150 درجة مئوية لفحص الارتباط بين تدهور DUT وحجم ذروة جهد UIS ودرجة الحرارة.
تُظهر جميع DUTs الأربعة سلوكيات تدهور واسترداد متشابهة جدًا (الشكل 6). تم اختبار DUTs الإضافية في ظل نفس الظروف ، مما يؤكد أنه لا يوجد تقريبًا ارتباط ذي دلالة إحصائية بين سلوكيات تدهور / استرداد DUT وذروة UIS VDS أو درجة الحرارة.
شرح سلوك الاندفاع لموثوقية GaN HEMT
يمكن أن يفسر تراكم الاصطياد المؤقت في GaN HEMT خصائص التدهور والاسترداد لـ DUTs تحت ضغوط UIS المتكررة. تسهل VDS العالية حقن الإلكترونات في منطقة المخزن المؤقت GaN أثناء كل إجهاد UIS ، سواء كانت قادمة من المصدر أو الواجهة بين طبقات الانتقال وركيزة Si من النوع p. من المتوقع أن تتراكم محاصرة المخزن المؤقت وقد تتشبع حتى تحت ضغوط UIS المتكررة.
سيتم تصريف غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) بواسطة الإلكترونات المحاصرة في المخزن المؤقت ، مما يرفع RDS (ON). في غضون ذلك ، سترفع الإلكترونات المحاصرة الحاجز المحتمل لمنطقة النضوب ، مما يؤدي إلى انخفاض IDSS. أخيرًا ، سيؤدي احتجاز المخزن المؤقت إلى توسيع منطقة النضوب ، موضحًا سبب انخفاض CDS بعد ضغوط UIS. تنفصل الإلكترونات المحاصرة في المنطقة العازلة تدريجياً مع إطالة فترة الاسترداد ، وهو ما يفسر الانتعاش البطيء الملحوظ للتحولات البارامترية.
يمكن تفسير الحد الأدنى للفشل (ذروة VDS) في اختبارات UIS المتكررة ، مقارنةً بالواحد في اختبار UIS أحادي الحدث ، من خلال BV الديناميكي المنخفض نتيجة للملاءمة العازلة الأكثر وضوحًا.
تم إجراء عمليات محاكاة جهاز TCAD في Silvaco Atlas باستخدام بنية الجهاز المحاكية المحددة بواسطة الصور المجهرية لـ DUTs منزوعة الكبسولة. يؤكد النموذج أن DUT قادرة على البقاء على قيد الحياة مليون دورة UIS عندما يكون جهد الذروة أقل من 1.3 كيلو فولت ، مع إظهار التحولات البارامترية الملحوظة ، بما في ذلك زيادة RDS (ON) ، وانخفاض IDSS ، وانخفاض CDS. يمكن استرداد هذه التحولات البارامترية في الغالب بعد ساعة واحدة. يمكن تفسير فشل الجهاز المذكور أعلاه وسلوكيات التدهور من خلال تراكم محاصرة المخزن المؤقت في GaN HEMTs والتغيرات المرتبطة به في BV الديناميكي. تعمل هذه النتائج على تعميق فهم متانة Cascode GaN HEMTs وتوفر مراجع رئيسية لهوامش تصميم المحولات الخاصة بهم.
مراجع
[1] R. Zhang ، و JP Kozak ، و M. Xiao ، و J. Liu ، و Y. Zhang ، “Surge-Energy and Overervoltage Ruggedness of P-Gate GaN HEMTs ،” IEEE Trans. باور إلكترون. ، المجلد. 35 ، لا. 12 ، ص 13409-13419 ، ديسمبر 2020.
[2] R. Zhang ، J. Kozak ، Q. Song ، M. Xiao ، J. Liu ، and Y. Zhang ، “Dynamic Breakdown Voltage of GaN Power HEMTs” ، 2020 الاجتماع السادس والستين IEEE الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM)، ص 23.3.1 – 23.3.4 ، ديسمبر 2020.
[3] JP Kozak و R. Zhang و Q. Song و J. Liu و W. Saito و Y. Zhang ، “True Breakdown Voltage and overervoltage Margin of GaN Power HEMTs in Hard Switching” رسائل جهاز IEEE الإلكتروني، الوصول المبكر عبر الإنترنت ، مارس 2021. doi: 10.1109 / LED.2021.3063360.
[4] “TP65H050WS 650V Cascode GaN FET ،” Transphorm. https://www.transphormusa.com/en/product/tp65h050ws-2/ (تم الوصول إليه في 16 يناير / كانون الثاني 2021).
