常開型SiC JFET功率器件的熱可靠性研究.pdf

1、SiC JFET功率器件憑借其優(yōu)良的材料特性及結構優(yōu)勢，成為目前最有發(fā)展前景的高溫器件，但其工作時存在的熱可靠性問題仍然限制著目前SiC JFET器件的工作溫度。針對這個問題，本論文著重研究了SiC JFET器件在靜態(tài)工作時的溫度特性和動態(tài)雪崩模式工作下的熱可靠性。
　　通過分析SiC JFET的熱穩(wěn)定性發(fā)現，當器件的產生功率等于相應條件下的耗散功率時，器件達到熱平衡狀態(tài)。器件只有處在穩(wěn)定的平衡點時，才能可靠的工作，一旦跳到非穩(wěn)定

2、平衡點，器件則極有可能發(fā)生熱失效。器件在工作時存在自熱效應，且內部溫度分布不均，高溫主要分布在溝道區(qū)域。仿真發(fā)現，自熱效應會使器件結溫升高，從而出現熱可靠性問題，并且結溫升高會引起載流子遷移率下降，從而導致器件電流發(fā)生退化，嚴重時退化程度達30％以上。此外，隨著器件偏壓的增大，電流密度會達到一個最大值，對應的工作點稱為臨界點，器件在高于臨界電壓的偏壓下工作，不會得到任何性能上的改善，因此器件工作時壓降應保持在臨界電壓以內。
　　仿

3、真分析發(fā)現，增大柵壓，器件的電流能力提高，并且臨界電壓和臨界結溫也會相應降低，器件熱可靠性得到改善。而環(huán)境溫度升高及散熱條件變差時，會導致相同偏壓下器件的電特性和熱穩(wěn)定性變差。因此，對于給定的器件，在高溫工作時，其性能和熱穩(wěn)定性難免發(fā)生退化，但可以通過合理地提高柵偏置和改善散熱來彌補性能的退化和提升器件的熱可靠性。本文還重點研究了兩個結構參數對SiC JFET器件的正向特性及結溫的影響，分析得出，合理的增大溝道寬度和降低漂移層寬度，一方

4、面能夠在較小的偏壓下顯著地提高器件的電流密度，從而成倍地減小器件面積，降低成本，另一方面在保持相同的電流密度下，可以減小器件的正向壓降，降低器件的結溫，從而降低器件的功耗和提升器件的熱可靠性。分析溫度對閾值電壓的影響發(fā)現，SiC JFET器件閾值電壓隨溫度的增大線性降低，變化率約為1.8～2mV/K，但通過合理的設計，可以使溫度對SiC JFET器件閾值電壓的影響忽略不計，從而避免器件因溫度升高引起的誤導通現象。
　　通過對不同條

5、件下器件的雪崩仿真發(fā)現，負載電感的增大和初始雪崩電流的增大都會明顯增大器件的雪崩持續(xù)時間，并且會一定程度上增大器件的雪崩電壓，從而引起器件瞬時功率和雪崩能量的增大，導致器件結溫上升更嚴重，從而引起可靠性問題。當電感或初始雪崩電流增大到一定程度時，器件會發(fā)生熱失效。仿真分析得到1500K為器件材料所能承受的理論極限溫度，而實驗發(fā)現，實際器件的熱可靠性還與其電極及封裝材料的熱穩(wěn)定性密切相關。因此，器件在使用時，應注意相應條件下電感負載和雪崩