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屏蔽栅MOSFET总剂量辐射效应机理与加固研究

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屏蔽栅MOSFET总剂量辐射效应机理与加固研究

作者：涂俊杰电子科技大学

学位级别：硕士

屏蔽栅MOSFET(Shielded Gate Trench Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,SGT MOSFET)作为中低压功率器件的代表,具有功率损耗低、开关速度快的优点,但其在航空航天领域的应用却受到了辐射效应的制约。然而,目前国内外... 详细信息

屏蔽栅MOSFET(Shielded Gate Trench Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,SGT MOSFET)作为中低压功率器件的代表,具有功率损耗低、开关速度快的优点,但其在航空航天领域的应用却受到了辐射效应的制约。然而,目前国内外关于SGT MOSFET的总剂量辐射(Total Ionizing Dose,TID)效应的研究还非常有限,因此本文通过实验和仿真的方法对SGT MOSFET的总剂量辐射效应机理做出了探究,建立了失效模型,并据此提出了抗辐射加固措施。本文的主要工作内容与成果如下:首先,通过对SGT MOSFET的总剂量辐射效应进行系统的实验研究,明确了其阈值电压、导通电阻及击穿电压在经受总剂量辐射之后的变化规律。然后,利用Sentaurus TCAD软件对SGT MOSFET的总剂量辐射退化进行了仿真分析。结果表明,SGT MOSFET受总剂量辐射影响最严重的退化行为是阈值电压和击穿电压的大幅降低。其中,阈值电压受总剂量辐射影响而线性减小,击穿电压随辐射剂量的增大出现了“慢-快-慢”的退化趋势。根据仿真结果和理论分析对器件电学参数受辐射而退化的原因做出了解释。基于二维泊松方程,建立了辐致电场再分布解析模型,为器件的击穿电压抗辐射加固提供理论指导。接着,在实验和理论研究的基础上,提出了SGT MOSFET抗总剂量辐射加固方案。从结构参数改良的角度分别提出了降低栅氧化层厚度、降低屏蔽栅氧化层厚度及降低漂移区掺杂浓度这三种加固措施。其中,降低栅氧化层厚度能抑制总剂量辐射后的阈值电压下降,而根据辐致电场再分布模型得出的后两种方法对击穿电压退化现象有改善作用。除此之外,根据理论推导提出了一种具有均匀轻掺杂的缓冲层(Buffer Layer)与线性掺杂的漂移区(Linearly Doped Drift Region)的新结构BLD(Buffer above Linear Drift)-SGT MOSFET。相比简单地降低漂移区掺杂浓度,BLD-SGT MOSFET结构不仅能更好地抑制总剂量辐射后的击穿电压退化,还在导通电阻方面具有明显的优势。与同等导通电阻的常规SGT MOSFET相比,BLD-SGT MOSFET实现了2倍的击穿电压抗辐射能力。为了探究BLD-SGT MOSFET结构加固方法的稳定性,分别研究了漂移区掺杂浓度梯度k、Buffer层厚度L以及Buffer层掺杂浓度N对该结构基本性能和抗辐射能力的影响。最后,从工艺优化的角度给出了后栅氧工艺及牺牲氧化法,有利于获得缺陷更少的氧化层。

关键词：总剂量辐射效应屏蔽栅MOSFET 阈值电压击穿电压抗辐射加固

屏蔽栅沟槽MOSFET源-漏极间的漏电流优化

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半导体技术 2023年第12期48卷 1092-1096页

作者：余长敏罗志永刘宇上海华虹宏力半导体制造有限公司上海201203

对于功率MOSFET,在较大的外加电压下能否获得更小的源-漏极间漏电流是评价器件性能的重要指标之一。针对击穿电压150 V的屏蔽栅沟槽MOSFET源-漏极间漏电流过大的问题,提出了两种有效的优化方法,包括降低接触孔离子注入后快速退火温度及... 详细信息

对于功率MOSFET,在较大的外加电压下能否获得更小的源-漏极间漏电流是评价器件性能的重要指标之一。针对击穿电压150 V的屏蔽栅沟槽MOSFET源-漏极间漏电流过大的问题,提出了两种有效的优化方法,包括降低接触孔离子注入后快速退火温度及减薄接触孔钛黏合层的厚度。结合理论计算,从缺陷影响的角度分析了上述方法减小漏电流的原因。这两种方法降低了源区pn结附近的缺陷浓度,导致pn结的反偏产生电流减小,从而减小漏电流,有效改善了源-漏极间漏电流过大的问题,使产品成品率得到提高。

关键词：漏电流击穿电压接触孔黏合层离子注入

界面接触状态和温度对电缆附件界面击穿电压和形态特性影响研究

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绝缘材料 2023年第12期56卷 85-91页

作者：吴凯吴少雷冯玉张天峰池正南国网安徽省电力有限公司电力科学研究院安徽合肥230601 福州大学电气工程与自动化学院福建福州350108

由于电缆接头界面易产生沿面放电,进而引发绝缘故障,使其成为电力电缆系统中最为薄弱的环节。本文研究了不同界面粗糙度、压强及温度对硅橡胶/聚乙烯双层介质界面交流击穿电压的影响,并对击穿后的界面放电通道进行分析。结果表明:常温... 详细信息

由于电缆接头界面易产生沿面放电,进而引发绝缘故障,使其成为电力电缆系统中最为薄弱的环节。本文研究了不同界面粗糙度、压强及温度对硅橡胶/聚乙烯双层介质界面交流击穿电压的影响,并对击穿后的界面放电通道进行分析。结果表明:常温下界面击穿电压与界面粗糙度有关,界面光滑程度越高,界面击穿电压越高,且界面碳化区域越小。界面压强越大,界面击穿电压越高,而界面碳化区域呈先增大后减小的趋势。随着温度升高,界面击穿电压呈下降趋势,但高温下的击穿电压并未显著下降。此外,界面碳化区域随温度的升高呈先增大后减小的趋势,不同温度下界面接触状态变化是影响其特性的主要原因。电缆附件界面状态对界面击穿特性有着重要影响,故在电缆使用和维护的过程中应特别注意。

关键词：界面电缆附件硅橡胶击穿电压碳化

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干式变压器环氧树脂热老化特性研究

高电压技术 2018年第1期44卷 187-194页

作者：王有元王施又黄炎光易鹭蔡亚楠重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044 广州供电局电力试验研究院广州510410

为了研究干式变压器中环氧树脂在高温环境中的老化特性，将环氧树脂试样放置于100、130、160℃下的热老化环境中进行试验，对试样分别进行了质量损失、交流击穿电压与介电特性测试，并研究了质量损失率、击穿电压及介电特性等3个特征量... 详细信息

为了研究干式变压器中环氧树脂在高温环境中的老化特性，将环氧树脂试样放置于100、130、160℃下的热老化环境中进行试验，对试样分别进行了质量损失、交流击穿电压与介电特性测试，并研究了质量损失率、击穿电压及介电特性等3个特征量随老化时间及老化温度的变化规律。结果表明：老化时间、温度的增加，都会使试样质量损失率、介电常数、介电损耗增大；随着老化时间的增加，击穿电压呈现增加-减少-增加-减少-增加的变化趋势，且其变化幅度随着老化温度的增加而增加。高温环境下，环氧树脂试样的分子链发生断裂而产生氧化分解，导致试样质量与击穿电压降低，试样中偶极子浓度和极化损耗增加导致介电常数与介电损耗增大。在介质损耗角正切值与质量损失率增大的过程中，试样击穿电压迅速降低，为采用质量损失、介电损耗等非破坏性试验获得的参量判断干式变压器绝缘状态提供了依据。

关键词：干式变压器环氧树脂热老化质量损失击穿电压介电特性

具有L型栅极场板的双槽双栅绝缘体上硅器件新结构

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电子学报 2018年第5期46卷 1146-1152页

作者：代红丽赵红东王洛欣石艳梅李明吉河北工业大学电子信息工程学院天津300401 天津理工大学电气电子工程学院天津300384

为了降低绝缘体上硅(SOI)功率器件的比导通电阻,同时提高击穿电压,利用场板(FP)技术,提出了一种具有L型栅极场板的双槽双栅SOI器件新结构.在双槽结构的基础上,在氧化槽中形成第二栅极,并延伸形成L型栅极场板.漂移区引入的氧化槽折叠了... 详细信息

为了降低绝缘体上硅(SOI)功率器件的比导通电阻,同时提高击穿电压,利用场板(FP)技术,提出了一种具有L型栅极场板的双槽双栅SOI器件新结构.在双槽结构的基础上,在氧化槽中形成第二栅极,并延伸形成L型栅极场板.漂移区引入的氧化槽折叠了漂移区长度,提高了击穿电压;对称的双栅结构形成双导电沟道,加宽了电流纵向传输面积,使比导通电阻显著降低;L型场板对漂移区电场进行重塑,使漂移区浓度大幅度增加,比导通电阻进一步降低.仿真结果表明:在保证最高优值条件下,相比传统SOI结构,器件尺寸相同时,新结构的击穿电压提高了123%,比导通电阻降低了32%;击穿电压相同时,新结构的比导通电阻降低了87.5%;相比双槽SOI结构,器件尺寸相同时,新结构不仅保持了双槽结构的高压特性,而且比导通电阻降低了46%.

关键词：场板击穿电压比导通电阻

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10 kV高压交流电机H级绝缘系统的研究

绝缘材料 2023年第4期56卷 48-51页

作者：王健王放文杨松陈鸿蔚于英双罗小丽湖南电气职业技术学院湖南湘潭411101 湘电集团有限公司湖南湘潭411101

本文对高压电机H级绝缘系统进行研究,检测了H级绝缘结构所采用的电磁线、少胶粉云母带、绝缘浸渍树脂的各项基本性能。制造了线圈试样,并对线圈试样进行电气性能测试、电老化试验和电热老化试验。结果表明:该绝缘结构线圈试样在击穿电... 详细信息

本文对高压电机H级绝缘系统进行研究,检测了H级绝缘结构所采用的电磁线、少胶粉云母带、绝缘浸渍树脂的各项基本性能。制造了线圈试样,并对线圈试样进行电气性能测试、电老化试验和电热老化试验。结果表明:该绝缘结构线圈试样在击穿电压及介质损耗因数方面的电气性能优异,该线圈试样能够满足H级10 kV高压电机的相关技术要求。

关键词：电机绝缘结构 H耐温等级击穿电压

TiO_(2)纳米改性植物绝缘油的流注发展特性研究

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绝缘材料 2022年第4期55卷 71-76页

作者：周年荣何潇郭新良何运华张林山谭向宇方正云云南电网有限责任公司电力科学研究院云南昆明650217 云南电网有限责任公司云南昆明650011

植物绝缘油的燃点较高,且环保性较好,但击穿电压相对矿物绝缘油较小。使用纳米粒子对植物绝缘油进行改性,能够提升植物绝缘油的击穿电压。本研究通过对不同体积分数的TiO_(2)纳米改性植物绝缘油进行雷电冲击击穿电压测试,同时对击穿过... 详细信息

植物绝缘油的燃点较高,且环保性较好,但击穿电压相对矿物绝缘油较小。使用纳米粒子对植物绝缘油进行改性,能够提升植物绝缘油的击穿电压。本研究通过对不同体积分数的TiO_(2)纳米改性植物绝缘油进行雷电冲击击穿电压测试,同时对击穿过程中流注的产生、发展、结束过程进行拍摄,观察原油与纳米改性植物绝缘油的流注发展形貌,分析TiO_(2)纳米粒子对植物绝缘油雷电冲击击穿电压及流注发展过程的影响规律。结果表明:添加TiO_(2)纳米能够提升植物绝缘油的正极性雷电冲击性能,且流注的发展速度相对较缓,但在负极性雷电冲击电压下的流注发展速度较快。

关键词：植物绝缘油纳米改性二氧化钛击穿电压

牵引电机用国产与进口间位芳纶纸的性能对比研究

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绝缘材料 2022年第2期55卷 23-27页

作者：秦盼亮吉永红刘嬿宋玮倩任靖屹刘冠芳中车永济电机有限公司山西永济044502 轨道交通牵引电机山西省重点实验室山西永济044502

为对比牵引电机用国产与进口间位芳纶纸的性能,测试分析了国产A纸、B纸及进口纸的结构、力学性能和介电性能。分别采用3种纸制作了定子模型并测试其电性能。结果表明:A纸纸张结构比较疏松,其拉伸强度略低于纸张结构较为致密的B纸与进口... 详细信息

为对比牵引电机用国产与进口间位芳纶纸的性能,测试分析了国产A纸、B纸及进口纸的结构、力学性能和介电性能。分别采用3种纸制作了定子模型并测试其电性能。结果表明:A纸纸张结构比较疏松,其拉伸强度略低于纸张结构较为致密的B纸与进口纸;3种间位芳纶纸的断裂伸长率都稳定地维持在17%~19%,A纸和B纸的边缘抗撕裂总体高于进口纸,A纸的击穿电压略低于B纸和进口纸,但浸漆后A纸的击穿电压高于B纸和进口纸,这归因于A纸结构比较疏松,有利于绝缘漆进入纸张内部填充空隙。两种国产芳纶纸制作的定子模型的介质损耗因数、电阻、电容及耐压性能均表现正常,表明这两种国产间位芳纶纸可以代替进口间位芳纶纸作为槽绝缘和垫条使用。

关键词：间位芳纶纸拉伸强度边缘抗撕裂击穿电压

电弧对GIS终端绝缘硅油介电性能及起始放电的影响

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高电压技术 2018年第3期44卷 733-739页

作者：张若兵郭国化邬钧姜雨泽邱治淳清华大学深圳研究生院深圳518055 国网山东省电力公司电力科学研究院济南250002

电弧不仅损害绝缘硅油的介电性能,还会引起硅油局部温度的升高。探究电弧对硅油性能的影响具有十分重要意义,为此采用针板电极,系统研究了局部电弧对硅油介电性能和起始放电特性的影响规律。试验结果表明,油中持续的局部电弧放电,导致... 详细信息

电弧不仅损害绝缘硅油的介电性能,还会引起硅油局部温度的升高。探究电弧对硅油性能的影响具有十分重要意义,为此采用针板电极,系统研究了局部电弧对硅油介电性能和起始放电特性的影响规律。试验结果表明,油中持续的局部电弧放电,导致硅油长链分子断链重组,产生黑色油泥,硅油从无色逐渐变成棕色,直至变成黑褐色,黑色油泥随着电弧放电量的增加而增多;油泥生成后硅油的介电性能显著降低,表现为击穿电压和起始放电电压下降;电弧放电会增加硅油介质损耗角正切,体积电阻率,电弧放电量增加到1.98×10^（10） pC,介质损耗因数角tanδ从0.002%增加到1.3%,体积电阻率ρ从1.25×10^（13）？·m下降到7.8×10^（10）？·m,击穿电压从45.8 kV下降到16 kV,起始放电电压从24 kV下降到10 kV。

关键词：硅油电弧放电量介电性能击穿电压起始放电油泥