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基于pin二极管的IGBT的Pspice建模

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基于PIN二极管的IGBT的Pspice建模

作者：曹正春华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着现代智能时代的到来,半导体芯片技术的地位越来越重要,国家对半导体产业的支持力度也逐年上升。pin二极管和IGBT作为半导体领域最普遍和最高端的两种功率器件,一直是研究的热点问题。对两者的仿真建模有利于促进器件在工程中的相关... 详细信息

随着现代智能时代的到来,半导体芯片技术的地位越来越重要,国家对半导体产业的支持力度也逐年上升。pin二极管和IGBT作为半导体领域最普遍和最高端的两种功率器件,一直是研究的热点问题。对两者的仿真建模有利于促进器件在工程中的相关应用,方便科研人员利用器件模型进行电路级的仿真,因此具有很大的实际意义。本文首先介绍了 pin二极管的结构和原理,阐述了载流子的扩散和漂移运动,推导出pin二极管内载流子传输的双极性扩散方程。利用傅里叶变换得到双极性扩散方程在正向稳态情况下的近似解,然后基于4H-SiC材料的pin二管提出了一种考虑温度影响的正向特性计算模型。然后利用有限元差分法的思想将双极性扩散方程转化矩阵代数方程,并将得到的矩阵方程移植到PSPICE软件中,通过电路仿真软件求解pin二极管的物理方程,最后得到pin二极管动态特性。通过与器件仿真的结果对比,很好的验证了模型的正确性。最后基于pin的研究,将IGBT等效为MOSFET和pin二极管两个部分,利用PSPICE建立了 IGBT的模型。该模型主要通过从已知的电学特性数据进行参数匹配,模型可以直接编写成库文件,方便用户的调用,具有很好的实用性。通过与SILVACO-TCAD器件仿真以及已有的模型对比,证明了该模型具有很好的拟合效果。

关键词： pin二极管电学特性 IGBT PSPICE模型 SILVACO-TCAD

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4H-SiC pin二极管高温可靠性研究

4H-SiC PiN二极管高温可靠性研究

作者：李家昌西安电子科技大学

学位级别：硕士

碳化硅(Si C)材料凭借其优越的性能,成为极具潜力的第III代半导体材料,在航空航天、控制系统、通讯等领域有广阔的应用前景。不同于只能工作在200℃以下结温的传统Si基器件,Si C器件的稳定性高,可靠工作的温度范围跨度大,在极端工作温... 详细信息

碳化硅(Si C)材料凭借其优越的性能,成为极具潜力的第III代半导体材料,在航空航天、控制系统、通讯等领域有广阔的应用前景。不同于只能工作在200℃以下结温的传统Si基器件,Si C器件的稳定性高,可靠工作的温度范围跨度大,在极端工作温度下有着出色的表现。然而在实际应用中碳化硅器件及其电路会因为本身散热问题出现严重的退化。因此,研究SiC器件的温度可靠性及其失效机制对分析和改善其高温性能具有重要的参考价值。本文主要从理论方面对4H-SiC pin二极管的高温特性、自热效应以及封装热阻等方面进行了建模分析。本文主要利用SENTAURUS-TCAD器件仿真工具对4H-SiC Pi N功率二极管进行热力学模型的研究和构建,着重对于不同温度下二极管正向直流特性进行了仿真分析,模拟了电流密度对器件晶格温度梯度分布的影响作用,以及不同水平电流密度下不同温度对二极管正向直流特性的影响。结果表明,当二极管导通后,其截面产生较大的热通量促使器件内部晶格产生温度梯度分布,积累的热量迅速提升了器件的结温,环境温度越高,器件内外温度梯度越小,热耗散越不容易进行而导致电流加剧退化甚至热失控。接着扩展讨论不同类型的SiC器件的热失控问题,这对以后深入研究SiC器件可靠性以及应用具有极大的参考价值。基于有限元分析法利用ANSYS14.0热分析工具研究了不同因素对器件封装热阻的影响。采用TO(Transistor Out-line)系列封装为代表的塑封插装型,通过有限元分析方法建立了4H-SiC pin功率二极管热分析模型,研究了环境温度和耗散功率对器件峰值结温的影响,仿真分析了增加器件面积、减小器件和粘结层厚度可以有效地降低器件封装热阻,有助于器件热量耗散,从而达到在同等的热要求下允许器件功率密度更高、散热效率更好的最终目的,从而提高了其工作的热可靠性。

关键词： 4H-SiC pin二极管高温退化封装热阻

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4H-SiC pin二极管开关特性研究

4H-SiC PiN二极管开关特性研究

作者：张甲阳西安电子科技大学

学位级别：硕士

SiC pin二极管由于具有可控功率大、插入损耗小以及开关速度快等优点,在开关电路、限幅器、移相器、衰减器等控制电路中广泛应用。本文通过建立SiC pin的器件模型模拟了台面结构的4H-SiC pin二极管的直流特性和开关特性。通过模拟值与... 详细信息

SiC pin二极管由于具有可控功率大、插入损耗小以及开关速度快等优点,在开关电路、限幅器、移相器、衰减器等控制电路中广泛应用。本文通过建立SiC pin的器件模型模拟了台面结构的4H-SiC pin二极管的直流特性和开关特性。通过模拟值与实验值的比较验证了模型的准确性。在正向电流密度为100A/cm2时,器件的导通电压VF为3V左右。反向击穿电压1335V。与传统材料相比,4H-SiC pin二极管具有良好的开关特性。室温300K,正向注入电流30mA,反向偏置电压15V时,4H-SiC pin二极管的漂移区存储电荷Qs较低(0.052nC)、开关时间较短(9.1ns)、电流衰减比较快、尾电流很小。同时,重点模拟分析了温度、载流子寿命、正向电流密度、反向偏置电压、阳极掺杂浓度等因子对4H-SiC pin二极管开关特性的影响情况。模拟显示:温度越高,正向电流注入越大,载流子寿命越大,开关过程中反向峰值电流越高,开关时间越长。通常采用寿命控制的方法来改善4H-SiC pin二极管的开关特性,但是这样会造成电导调制效应的消弱使得导通损耗增大。通过改进器件结构可以在改善SiC pin二极管开关特性的同时实现开关速度和正向导通电压的折中。本文在漂移区均匀掺杂结构基础之上提出了渐变掺杂结构,将传统的漂移区划分成三层,掺杂浓度依次渐变,分别是1×1014cm-3、7×1015cm-3和8×1017cm-3。模拟显示:由于电导调制效应的影响,改进后的4H-SiC pin二极管能够在保证直流正向I-V特性不变的前提下,加大反向电荷的抽取效率,提高开关速度,而且具有更加优越的软特性,开关速度提高约10%,软度系数S增大30%。然而,器件的反向击穿电压发生退化,可以通过调整漂移区重掺杂区域的厚度来改善反向击穿特性。对比发现,漂移区三层渐变掺杂结构比漂移区两层渐变掺杂结构具有更为优越的性能。

关键词：碳化硅 pin二极管开关时间渐变掺杂

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4H-SiC pin二极管抗辐照特性研究

4H-SiC PiN二极管抗辐照特性研究

作者：程泊轩西安电子科技大学

学位级别：硕士

4H-SiC pin二极管具有很高的反向击穿电压,得益于中间的低掺杂本征层,以及碳化硅材料的高临界击穿电场。较薄的本征层以及碳化硅的高饱和电子漂移速度也使4H-SiC pin二极管拥有优于硅pin器件的反向恢复特性。碳化硅的高临界位移能使4H-S... 详细信息

4H-SiC pin二极管具有很高的反向击穿电压,得益于中间的低掺杂本征层,以及碳化硅材料的高临界击穿电场。较薄的本征层以及碳化硅的高饱和电子漂移速度也使4H-SiC pin二极管拥有优于硅pin器件的反向恢复特性。碳化硅的高临界位移能使4H-SiC pin二极管在辐照环境下具有很强的生存能力。目前,有关4H-SiC pin二极管的直流与瞬态特性的抗辐射能力的报道比较有限。本文在这方面做了一些工作,包括下列内容。建立了4H-SiC pin二极管的数值模型。选择适用于4H型碳化硅的材料参数,采用器件模拟软件ISE-TCAD模拟了4H-SiC pin二极管的直流伏安特性。器件在电流密度为100A/cm2时的开启电压为2.8V。器件在反向偏置达到1.4kV时出现击穿,证明了击穿由雪崩倍增导致。考察了4H-SiC pin二极管的关断瞬态特性。室温下,由3V偏置转换到50伏的反向偏置的关断时间仅为69ns,反向时的峰值电流仅为8.45×10-4A。瞬态特性表现出正温度系数。对质子与电子辐照的4H-SiC pin二极管的直流与反向恢复特性进行了研究。辐射后,器件正向偏置时电流稍微下降,100A/cm2时开启电压减小,辐射对器件正向特性的影响微弱;反向漏电流在辐射后下降,表现出4H-SiC pin二极管的优良抗辐照能力。器件的瞬态特性在辐照后也表现出改善。高温下,器件的表现仍优于辐照之前。为了进一步改善器件特性,可以考虑在钝化前用低能量的紫外光照射器件表面,或者提高掺杂浓度。

关键词：碳化硅 pin二极管辐照数值模拟

弯曲态柔性pin二极管硅纳米薄膜的应力研究

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弯曲态柔性PIN二极管硅纳米薄膜的应力研究

作者：黄治塬天津大学

学位级别：硕士

近年来,高性能的柔性电子特别是具有优秀机械性能（弯曲性）的柔性电子越来越受到学术研究领域的重视。这主要还是源于柔性电子区分于传统硬质电子的独特优势,比如高柔性、轻质、能够抵抗大的应变等等。然而由于柔性电子使用的材料的本... 详细信息

近年来,高性能的柔性电子特别是具有优秀机械性能（弯曲性）的柔性电子越来越受到学术研究领域的重视。这主要还是源于柔性电子区分于传统硬质电子的独特优势,比如高柔性、轻质、能够抵抗大的应变等等。然而由于柔性电子使用的材料的本征载流子迁移率较低,柔性电子的研究一直都停留在低速领域。然而,随着基于转移技术的单晶纳米硅薄膜的实现,柔性电子在高速高性能的应用中开始呈现出很大的潜力,比如便携式无线设备,长距离的射频识别技术,光电子和可控天线等等。高速柔性电子器件被要求可以在反复弯折形变下正常工作,而器件在形变中产生的应力将不可避免地对器件的电学性能造成影响,特别是在高速高频领域,柔性电子的寄生效应更为明显的情况下,影响更大。由此,对于需要工作在各种弯曲形态的高速柔性电子器件,其在弯曲态下机械性能的研究就变得很有必要。在本课题中,我们介绍了柔性pin二极管及其开关的完整工艺制作流程,并且基于制作的柔性器件,测试并展示了柔性pin二极管在不同弯曲条件下的射频特性。聚焦于不同结构尺寸的pin二极管和Switch开关在不同曲率半径的弯曲表面下的应力分布,我们解释了机械弯曲应变对器件的电学特性的影响。其中本课题的应力研究的对象为结面积为40,80,240μm~2的pin二极管以及由两个pin二极管组成的开关器件（单刀单掷开关,串联二极管与并联二极管的结面积分别为:240/40μm~2和40/40μm~2）。利用有限元方法（FEM）我们对pin二极管和Switch进行了3D建模,并分析柔性电子器件在弯曲条件下的应力分布。其中柔性pin器件区的单晶硅薄膜作为应力分布研究的重要对象,我们分析了其截面积的范米塞斯等效应力,及X、Y、Z各轴向的主应力。其中沿器件长度方向的拉伸应力（有限元模型中的X轴向拉伸应力）作为等效应力的主要组成部分在本文中进行了重点的分析和研究。

关键词：柔性电子 pin二极管开关应力仿真射频

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pin二极管快中子剂量探测器等效模型

微计算机信息 2010年第25期26卷 126-128页

作者：程月东刘荣林钟传杰江南大学信息工程学院无锡214122

利用TCAD工具Medici模拟了宽基硅二极管快中子探测器在正向恒流状态时快中子的辐射剂量与其端电压的关系。建立pin二极管辐照等效模型。通过模型求解和二维数值模拟软件medici仿真确定了模型的使用范围。分析研究了不同辐照剂量下基区... 详细信息

利用TCAD工具Medici模拟了宽基硅二极管快中子探测器在正向恒流状态时快中子的辐射剂量与其端电压的关系。建立pin二极管辐照等效模型。通过模型求解和二维数值模拟软件medici仿真确定了模型的使用范围。分析研究了不同辐照剂量下基区电场的变化。

关键词： pin二极管 Medici 快中子

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pin二极管在双向放大器设计中的应用

电子科技 2004年第9期17卷 53-55页

作者：朱玉波西安电子科技大学电子工程学院陕西西安710071

详细介绍了MA4P274系列pin二极管的特点,并把这些特点用在双向放大器电路设计中,取得预期的效果。

关键词： pin二极管双向放大器 MA4P274 衰减器温度补偿

一种带P型埋层的4H-SiC pin二极管

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微电子学 2020年第5期50卷 704-708页

作者：王帅张有润罗佳敏罗茂久陈航电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都610054

碳化硅(SiC)pin二极管是应用在高压大功率整流领域中的一种重要的功率二极管。受SiC外延材料的载流子寿命限制以及常规SiC pin二极管较低的阳极注入效率的影响,SiC pin二极管的正向导通性能较差,这极大限制了其在高压大电流领域的应用... 详细信息

碳化硅(SiC)pin二极管是应用在高压大功率整流领域中的一种重要的功率二极管。受SiC外延材料的载流子寿命限制以及常规SiC pin二极管较低的阳极注入效率的影响,SiC pin二极管的正向导通性能较差,这极大限制了其在高压大电流领域的应用。文章提出了一种带P型埋层的4H-SiC pin二极管,较常规SiC pin二极管增强了阳极区的少子注入效率,降低了器件的导通电阻,增大了正向电流。仿真结果表明,当正向偏压为5 V时,引入P型埋层的SiC pin二极管的正向电流密度比常规SiC pin二极管提升了52.8%。

关键词： pin二极管注入效率 P型埋层电流密度

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基于pin二极管的X波段大功率限幅器设计

基于PIN二极管的X波段大功率限幅器设计

作者：黄丹电子科技大学

学位级别：硕士

微波限幅器在电子侦察以及电子对抗等雷达接收系统中被广泛应用,是微波控制电路中的重要器件,其主要作用是阻止高功率微波信号对接收系统造成破坏,保护系统中的低噪声放大器、混频器等功率灵敏器件不被大功率信号破坏。在无线通信、电... 详细信息

微波限幅器在电子侦察以及电子对抗等雷达接收系统中被广泛应用,是微波控制电路中的重要器件,其主要作用是阻止高功率微波信号对接收系统造成破坏,保护系统中的低噪声放大器、混频器等功率灵敏器件不被大功率信号破坏。在无线通信、电子对抗技术飞速发展的今天,系统对耐高功率的需求更高,大功率微波器件正在得到更加广泛的应用。因此,本课题的研究具有非常重要的意义。本文研究的X波段大功率限幅器,采用有源限幅和半有源限幅结合的电路形式,提高了限幅电路的耐功率承受能力,同时实现了小损耗、低泄露的性能指标。本课题主要研究、分析了pin二极管的基本理论、微波限幅器的工作原理、设计方法以及电路的实现方式。在研究过程中,详细分析了pin二极管的等效电路模型、微波特性,主要研究了微波限幅器的基本工作原理和常用的实现方案。根据研制目标要求,开展对限幅器设计方法的研究讨论,详细分析了大功率限幅器的设计与实现方法。通过理论分析,采用ADS、HSFF等电路、电磁仿真软件进行电路设计,并结合对混合集成电路工艺的研究探讨,完成了限幅器的外协物料（腔体、基片等）的设计、加工、制作,以及电路的装配、调测试。制作的样品经过生产、调测试、工艺改进,以及可靠性环境试验验证,完成了对该款限幅器各项性能的综合论证。产品的测试结果表明:在8.5GHz.5GHz工作频段内,限幅器的实测插入损耗≤1.5dB,输入输出驻波比≤1.4,承受同步功率100W连续被,承受异步功率峰值100W（脉宽4ms,占空比10%）,限幅电平≤13dBm,恢复时间≤3μs,尺寸30mm×25mm×15mm,完全满足且优于本课题研制任务的要求。

关键词： X波段 pin二极管限幅器混合集成电路