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屏蔽栅mosfet的动态特性分析与优化

屏蔽栅MOSFET的动态特性分析与优化

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作者：张雪璠电子科技大学

学位级别：硕士

屏蔽栅mosfet(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)为中低压功率mosfet中的主流产品,且在新能源政策的引导下屏蔽栅mosfet的应用进一步推广。屏蔽栅mosfet的动静态性能优异,但因其开关速度较快,在动态开关过程中会产生... 详细信息

屏蔽栅mosfet(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)为中低压功率mosfet中的主流产品,且在新能源政策的引导下屏蔽栅mosfet的应用进一步推广。屏蔽栅mosfet的动静态性能优异,但因其开关速度较快,在动态开关过程中会产生严重的开关振荡,从而威胁器件的可靠性,甚至成为电磁干扰的噪声源。因此对屏蔽栅mosfet动态特性的研究具有必要性。本文主要研究屏蔽栅mosfet在感性负载开关与体二极管反向恢复过程中的开关振荡问题,通过改变器件的结构参数,观察器件动态性能的变化,从机理层面分析原因并提出优化方案。具体内容总结如下:1、对功率mosfet在感性负载开关电路、体二极管反向恢复电路和半桥电路的工作状态进行阐述,对动态开关过程中产生振荡的机理进行分析,并总结现有屏蔽栅mosfet开关振荡的相关研究内容。2、在感性负载开关电路中,明确电路参数的影响后,改变漂移区电阻率等8个结构参数进行仿真分析,发现增大屏蔽栅电阻值可以在不影响器件功耗的情况下显著抑制开关振荡,且漂移区电阻率、沟槽深度与沟槽底部屏蔽栅氧化层厚度也对开关振荡有一定的影响,但改变上述参数时需要考虑振荡与功耗的折中关系。通过仿真不同结构屏蔽栅mosfet的寄生电容的C-V特性曲线,发现增大d C/d V或增大C可以在一定程度上抑制振荡的产生,该结论有利于指导产品选型。3、在体二极管反向恢复过程中,改变漂移区电阻率等7个参数进行仿真分析,发现沟槽深度减小可以显著优化器件的体二极管性能与漏源电压的振荡,栅氧化层厚度减薄可以显著优化体二极管性能且在一定程度上可以抑制振荡。研究中发现器件的体二极管性能与两种因素相关,一是体二极管正向导通时注入漂移区的空穴量,二是反向抽取时耗尽层的展宽距离。且器件在反向恢复过程中漏源电压振荡的幅值与器件的击穿电压值呈现正相关的关系。4、综合考虑动态特性优化的结论、动静态参数设计指标与合作代工线的工艺条件后,设计出动态特性优化的100V屏蔽栅mosfet。该器件完成了各项动静态参数测试并满足设计指标,且在感性负载开关测试与体二极管反向恢复过程中漏源电压振荡仅达到电源电压的6.75%与17.14%,测试结果验证了动态特性的优化结论的实用性。

关键词：屏蔽栅mosfet 动态特性感性负载开关体二极管反向恢复

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屏蔽栅mosfet总剂量辐射效应机理与加固研究

屏蔽栅MOSFET总剂量辐射效应机理与加固研究

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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

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