半导体功率器件输出电容动态本征能耗物理机理及模型研究
批准号:
62074020
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
林智
依托单位:
学科分类:
半导体电子器件与集成
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
林智
中文摘要
高频化是半导体功率器件的发展趋势之一,因其可以实现系统小型化。功率器件高频化的挑战是其动态功率损耗随频率增大而增大。最新研究表明,功率器件输出电容存在动态本征能量损耗,在硅超结、氮化镓和碳化硅器件中尤为突出,是新的功率损耗源。此能耗被认为与大信号输出电容滞回特性相关,但尚未有明确理论解释。申请人针对硅超结器件的研究显示,输出电容滞回特性与充放电过程中器件中性漂移区内载流子的运动规律有关。因此,本项目提出输出电容动态本征能耗来源于载流子在高阻区内运动。本项目拟以功率场效应晶体管和肖特基二极管为研究对象,从载流子运动规律入手,借助器件仿真和实验测量,分析器件内部耗尽区变化趋势和电热作用微观过程,揭示输出电容动态本征能耗物理机理,评估高频开关性能,提出优化设计原则,建立等效电路模型。本项目成果对于进一步认识功率器件工作原理、丰富器件知识具有重要学术价值,对于提高功率器件的工作频率具有重要意义。
英文摘要
High frequency is one of the development trends of semiconductor power devices because it can realize miniaturization of the system. The challenge of high frequency switching of power devices is that its dynamic power loss increases with increasing frequency. Recent researches show that the output capacitance of power devices has a dynamic intrinsic energy loss, which is a new source of the power loss. The phenomenon is particularly prominent in silicon superjunction, gallium nitride and silicon carbide devices. This energy loss is considered to be related to the hysteresis characteristic of the large-signal output capacitance. But there is no clear theoretical explanation. Our study on the silicon superjunction device shows that the hysteresis characteristic of the output capacitor is related to the carrier dynamics in the neutral drift region of the device during the process of charging and discharging. Therefore, this project proposes that the dynamic intrinsic energy loss of the output capacitance is generated by carriers moving in the high impedance region. This project will choose power field effect transistors and Schottky diodes as research subjects. Starting from carrier dynamics, the changing trend of the depletion region and the micro electrothermal process will be analyzed with the help of the device simulation and the experimental measurement. The purpose of this project is to reveal the physical mechanism of the intrinsic dynamic energy loss of the output capacitance, to evaluate the high-frequency performance, to propose principles of optimal design and the equivalent circuit model. The results of this project carry important academic values to further understand the principle of power devices and to enrich the device knowledge. They also carry great significance to improve the frequency of power devices.
半导体功率器件是实现电能高效利用的基础,对推动国民经济可持续发展具有重要作用。高频化是半导体功率器件的发展趋势之一,因为高频化可以实现功率电子系统的小型化。功率器件高频化的挑战是其动态功率损耗随频率增大而增大,特别是器件的输出电容在高频充放电过程中存在动态本征能量损耗。本项目针对半导体功率器件输出电容动态本征能量损耗机理不明、缺乏理论描述和等效电路模型不准确的问题开展研究,对主流半导体功率器件的输出电容动态本征能量损耗在不同激励条件下进行了测试分析,研究了输出电容充放电过程中载流子的运动规律和电热作用机理,探讨了功率器件输出电容动态本征能量损耗相关优值及器件优化设计原则,提出了描述输出电容滞回效应和动态本征能量损耗的等效电路模型。.研究发现,输出电容动态本征能量损耗主要来自于充放电过程中载流子在中性漂移区中的运动发热和充放电电流流经功率MOSFET的栅极寄生电阻发热。此外,器件封装引入的寄生电感也会增大动态本征能量损耗。本项目建立的描述半导体功率器件输出电容充放电滞回效应和动态本征能量损耗的理论模型,揭示了其动态本征能量损耗的产生机理、丰富了功率器件的物理知识、加深了对功率器件工作原理的认识;项目提出的器件优化设计原则可用于指导器件设计,有助于提高器件的开关高频和电能的利用效率。
SiC MOSFET和肖特基二极管软开关异常损耗机理研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:林智
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依托单位:
基于沟槽型深漏端扩散区和场板技术的新型超结LDMOS的模型研究及研制
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批准号:61604024
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2016
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负责人:林智
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依托单位:
国内基金
海外基金