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(jié)構(gòu)優(yōu)勢，成為目前最有發(fā)展前景的高溫器件，但其工作時(shí)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(gè)問題，本論文著重研究了SiC JFET器件在靜態(tài)工作時(shí)的溫度特性和動(dòng)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(xiàn)，當(dāng)器件的產(chǎn)生功率等于相應(yīng)條件下的耗散功率時(shí)，器件達(dá)到熱平衡狀態(tài)。器件只有處在穩(wěn)定的平衡點(diǎn)時(shí)，才能可靠的工作，一旦跳到非穩(wěn)定

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

3、真分析發(fā)現(xiàn)，增大柵壓，器件的電流能力提高，并且臨界電壓和臨界結(jié)溫也會(huì)相應(yīng)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(shí)，會(huì)導(dǎo)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(shí)，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(bǔ)性能的退化和提升器件的熱可靠性。本文還重點(diǎn)研究了兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對SiC JFET器件的正向特性及結(jié)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(jié)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(xiàn)，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(shè)計(jì)，可以使溫度對SiC JFET器件閾值電壓的影響忽略不計(jì)，從而避免器件因溫度升高引起的誤導(dǎo)通現(xiàn)象。
　　通過對不同條

5、件下器件的雪崩仿真發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電感的增大和初始雪崩電流的增大都會(huì)明顯增大器件的雪崩持續(xù)時(shí)間，并且會(huì)一定程度上增大器件的雪崩電壓，從而引起器件瞬時(shí)功率和雪崩能量的增大，導(dǎo)致器件結(jié)溫上升更嚴(yán)重，從而引起可靠性問題。當(dāng)電感或初始雪崩電流增大到一定程度時(shí)，器件會(huì)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)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(guān)。因此，器件在使用時(shí)，應(yīng)注意相應(yīng)條件下電感負(fù)載和雪崩