Global
1. SIC MOS管柵極問題思考與解決
2. 研究柵極問題的重要性
柵極作為SIC MOS管的關(guān)鍵控制端，其性能和可靠性直接影響著整個(gè)器件的工作穩(wěn)定性和壽命。柵極一旦損壞，SIC MOS管將無法正常工作，導(dǎo)致整個(gè)電路系統(tǒng)故障； SIC MOS管作為新型功率半導(dǎo)體器件，近年來隨著技術(shù)的成熟，在新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低、耐高溫等顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸成為傳統(tǒng)硅基器件的有力替代者
3. 芯片工藝結(jié)構(gòu)概述
SIC MOS管的芯片工藝結(jié)構(gòu)主要包括襯底、外延層、源極、漏極、柵極以及絕緣層等部分。其中，襯底通常采用碳化硅材料，具有高導(dǎo)熱性和高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的特點(diǎn)，為器件提供良好的物理支撐和電學(xué)基礎(chǔ)。外延層生長(zhǎng)在襯底之上，用于精確控制器件的電學(xué)參數(shù)
源極和漏極位于芯片的兩側(cè)，是電流的輸入和輸出端,柵極則通過絕緣層與溝道隔開，通過施加電壓來控制溝道的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的調(diào)控,絕緣層通常采用二氧化硅等材料，其質(zhì)量和厚度對(duì)柵極的性能有著重要影響
4. 柵極在芯片中的位置與作用
位置：
柵極位于源極和漏極之間，通過絕緣層與溝道緊密相鄰。其主要作用是通過電場(chǎng)效應(yīng)控制溝道的導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)對(duì)SIC MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的精確控制。當(dāng)柵極施加正電壓時(shí)，會(huì)在溝道中感應(yīng)出電子，形成導(dǎo)電通道，使SIC MOS管導(dǎo)通；當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，溝道中的電子消失，導(dǎo)電通道關(guān)閉，SIC MOS管截止
作用：柵極的控制作用如同水龍頭的開關(guān)，能夠精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)水流（電流）的大小和通斷，確保SIC MOS管在各種電路應(yīng)用中穩(wěn)定可靠地工作
5. 柵極容易損壞的原因分析
米勒電容的作用機(jī)制
由于多晶硅寬度、溝道與溝槽寬度、G極氧化層厚度、PN結(jié)摻雜輪廓等因素，SIC MOS管會(huì)產(chǎn)生寄生電容，其中關(guān)鍵的米勒電容Cgd起著重要作用。Cgd并非恒定不變，它會(huì)隨著柵極和漏極間電壓的變化而迅速改變
當(dāng)高邊的MOS管突然導(dǎo)通時(shí)，低邊MOS管的漏極電壓會(huì)瞬間升高，此時(shí)低邊MOS管的米勒電容上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小為米勒電容乘以電壓變化率大小的電流。若柵極開路，這個(gè)電流只能給下方的Cgs電容充電，進(jìn)而導(dǎo)致柵極電壓突然升高。當(dāng)柵極電壓超過MOS管的門線電壓VTH時(shí)，MOS管就容易發(fā)生誤導(dǎo)通，長(zhǎng)期的誤導(dǎo)通會(huì)對(duì)柵極造成損壞
寄生電容引發(fā)的問題實(shí)例
在半橋電路中，當(dāng)一個(gè)MOS管導(dǎo)通時(shí)，由于米勒電容的存在，會(huì)對(duì)另一個(gè)MOS管的柵極產(chǎn)生影響。例如，在某開關(guān)電源應(yīng)用中，由于米勒電容的作用，導(dǎo)致柵極電壓異常升高，超出了柵極的耐壓范圍，最終造成柵極擊穿損壞，使整個(gè)開關(guān)電源無法正常工作
6. 外部電路過電壓的來源
6.1 外部電路中的過電壓可能由多種原因產(chǎn)生，如雷擊、電網(wǎng)波動(dòng)、感性負(fù)載的開關(guān)操作等。雷擊會(huì)產(chǎn)生瞬間的高電壓脈沖，可能通過電源線或信號(hào)線傳導(dǎo)至SIC MOS管
6.2 電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，電壓的突然升高也會(huì)對(duì)SIC MOS管造成威脅
6.3 當(dāng)感性負(fù)載（如電機(jī)、變壓器等）突然斷開時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，形成很高的電壓尖峰，這些過電壓都可能通過電路傳導(dǎo)到SIC MOS管的柵極，對(duì)其造成損害
7.過電壓對(duì)柵極的損害原理
7.1 當(dāng)柵極承受的電壓超過其額定耐壓值時(shí)，柵極氧化物會(huì)發(fā)生擊穿，導(dǎo)致柵極與溝道之間的絕緣性能下降，甚至短路;這會(huì)使柵極失去對(duì)溝道的控制能力，SIC MOS管無法正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞
7.2 過電壓還可能引發(fā)柵極內(nèi)部的熱效應(yīng)，使柵極材料的溫度急劇升高，造成材料的性能劣化，進(jìn)一步加劇柵極的損壞
SIC MOS管的工作溫度特性
SIC MOS管雖然具有較好的高溫性能，但在高溫環(huán)境下，其性能參數(shù)仍會(huì)發(fā)生變化。隨著溫度的升高，SIC MOS管的導(dǎo)通電阻會(huì)增大，開關(guān)速度會(huì)降低，漏電流也會(huì)增加。這些參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致器件的功耗增加，產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步加劇溫度的上升。
當(dāng)溫度超過一定限度時(shí)，會(huì)對(duì)柵極的材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，降低柵極的可靠性
高溫對(duì)柵極材料和結(jié)構(gòu)的影響
高溫會(huì)使柵極的絕緣材料性能下降，導(dǎo)致柵極與溝道之間的絕緣電阻降低，增加漏電風(fēng)險(xiǎn)。高溫還可能導(dǎo)致柵極金屬材料的熱膨脹，使柵極與其他部件之間的連接出現(xiàn)松動(dòng)或斷裂，影響柵極的正常工作。
在一些高溫應(yīng)用場(chǎng)景中，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的電子設(shè)備，SIC MOS管長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，柵極的損壞概率明顯增加
8. 制造工藝缺陷
常見的制造工藝問題
在SIC MOS管的制造過程中，可能會(huì)出現(xiàn)一些工藝缺陷，如柵極氧化層中的針孔、雜質(zhì)污染、光刻偏差等;這些缺陷會(huì)導(dǎo)致柵極氧化層的厚度不均勻，局部電場(chǎng)強(qiáng)度過高，從而降低柵極的耐壓能力。
雜質(zhì)污染可能會(huì)改變柵極材料的電學(xué)性能，影響柵極的正常工作。光刻偏差則可能導(dǎo)致柵極的尺寸精度不足，影響器件的性能一致性
工藝缺陷如何導(dǎo)致柵極損壞
柵極氧化層中的針孔會(huì)成為電流的泄漏通道，當(dāng)電流通過針孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部發(fā)熱，導(dǎo)致氧化層進(jìn)一步損壞。
雜質(zhì)污染會(huì)使柵極材料的電阻率發(fā)生變化，影響柵極的電場(chǎng)分布，增加?xùn)艠O擊穿的風(fēng)險(xiǎn)
光刻偏差導(dǎo)致的柵極尺寸不一致，會(huì)使不同器件的柵極性能存在差異，在實(shí)際應(yīng)用中，性能較差的柵極更容易受到損壞
基本工作原理介紹
SMBJ1505CA是一種高效的電路保護(hù)器件，其工作原理基于PN結(jié)的雪崩擊穿效應(yīng)。當(dāng)TVS兩端的電壓超過其擊穿電壓時(shí)，TVS會(huì)迅速導(dǎo)通，將過電壓鉗位在一個(gè)較低的水平，從而保護(hù)被保護(hù)器件免受過高電壓的沖擊，在電路中，TVS通常與被保護(hù)的SIC MOS管柵極并聯(lián)連接。當(dāng)出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓時(shí)，TVS會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)（通常為納秒級(jí)）響應(yīng)，將過電壓旁路到地，使柵極電壓保持在安全范圍內(nèi)
SMBJ1505CA 瞬態(tài)抑制二極管是專門為SIC MOS管柵極保護(hù)設(shè)計(jì)的，其正向擊穿電壓通常設(shè)定為15V左右，反向擊穿電壓設(shè)定為 - 5V左右。這樣的電壓設(shè)定能夠與SIC MOS管的柵極工作電壓范圍相匹配，有效地保護(hù)柵極免受正向和反向過電壓的損害，這種二極管具有快速的響應(yīng)時(shí)間、低動(dòng)態(tài)電阻和高脈沖功率承受能力等特點(diǎn)?？焖俚捻憫?yīng)時(shí)間能夠確保在過電壓出現(xiàn)的瞬間及時(shí)動(dòng)作，低動(dòng)態(tài)電阻可以使鉗位電壓盡可能接近擊穿電壓，高脈沖功率承受能力則保證了二極管在承受大電流脈沖時(shí)不會(huì)損壞
9. 使用SMBJ1505CA的原因
9.1 防止串?dāng)_引起的柵極電壓波動(dòng)
在半橋電路等應(yīng)用中，SIC MOS管模塊的開關(guān)動(dòng)作會(huì)引起另一個(gè)模塊開關(guān)的柵源極電壓波動(dòng)，即串?dāng)_問題。正向串?dāng)_可能導(dǎo)致柵極電壓正向抬升，若超過閾值將導(dǎo)致誤開通；負(fù)向串?dāng)_可能使柵極電壓負(fù)向增大，超過負(fù)壓耐受極限會(huì)導(dǎo)致柵極擊穿，SMBJ1505CA瞬態(tài)抑制二極管可以有效地抑制串?dāng)_引起的柵極電壓波動(dòng)，當(dāng)柵極電壓出現(xiàn)異常升高或降低時(shí)，TVS會(huì)迅速導(dǎo)通，將電壓鉗位在安全范圍內(nèi)，防止誤開通和柵極擊穿的發(fā)生
9.2 應(yīng)對(duì)瞬態(tài)過電壓的威脅
如前所述，外部電路中存在各種瞬態(tài)過電壓的威脅，如雷擊、電網(wǎng)波動(dòng)、感性負(fù)載開關(guān)等產(chǎn)生的過電壓。這些過電壓可能會(huì)瞬間超過SIC MOS管柵極的耐壓值，對(duì)柵極造成不可逆的損壞。
瞬態(tài)抑制二極管能夠在過電壓出現(xiàn)的瞬間迅速響應(yīng)，將過電壓限制在安全范圍內(nèi)，為SIC MOS管柵極提供可靠的保護(hù)，確保器件在惡劣的電氣環(huán)境下正常工作
加瞬態(tài)抑制二極管的好處
通過抑制過電壓和串?dāng)_，瞬態(tài)抑制二極管能夠有效減少柵極受到的電氣應(yīng)力，降低柵極損壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高SIC MOS管柵極的可靠性和穩(wěn)定性。這有助于延長(zhǎng)SIC MOS管的使用壽命，減少設(shè)備故障的發(fā)生，提高整個(gè)電路系統(tǒng)的可靠性。
在工業(yè)自動(dòng)化、電力電子等領(lǐng)域，設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，使用瞬態(tài)抑制二極管保護(hù)柵極能夠確保設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，降低維護(hù)成本
熱門新聞
滬公網(wǎng)安備31011702889749號(hào)
