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一 . SIC MOS管的發(fā)展與現(xiàn)狀
二. 研究柵極問題的重要性
2.1 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)致整個電路系統(tǒng)故障
2.2 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，逐漸成為傳統(tǒng)硅基器件的有力替代者
三. 芯片工藝結(jié)構(gòu)概述
3.1 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)熱性和高擊穿電場強度的特點，為器件提供良好的物理支撐和電學(xué)基礎(chǔ)。外延層生長在襯底之上，用于精確控制器件的電學(xué)參數(shù)
3.2 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，從而實現(xiàn)對電流的調(diào)控,絕緣層通常采用二氧化硅等材料，其質(zhì)量和厚度對柵極的性能有著重要影響
四. 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效應(yīng)控制溝道的導(dǎo)電性，實現(xiàn)對SIC MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的精確控制。當柵極施加正電壓時，會在溝道中感應(yīng)出電子，形成導(dǎo)電通道，使SIC MOS管導(dǎo)通；當柵極電壓為零時，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
五. 柵極容易損壞的原因分析
5.1 寄生電容的影響,米勒電容的作用機制
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，它會隨著柵極和漏極間電壓的變化而迅速改變
當高邊的MOS管突然導(dǎo)通時，低邊MOS管的漏極電壓會瞬間升高，此時低邊MOS管的米勒電容上會產(chǎn)生一個大小為米勒電容乘以電壓變化率大小的電流。若柵極開路，這個電流只能給下方的Cgs電容充電，進而導(dǎo)致柵極電壓突然升高。當柵極電壓超過MOS管的門線電壓VTH時，MOS管就容易發(fā)生誤導(dǎo)通，長期的誤導(dǎo)通會對柵極造成損壞
5.2 寄生電容引發(fā)的問題實例
在半橋電路中，當一個MOS管導(dǎo)通時，由于米勒電容的存在，會對另一個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，使整個開關(guān)電源無法正常工作
5.3 外部電路過電壓的來源
5.3.1 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、感性負載的開關(guān)操作等。雷擊會產(chǎn)生瞬間的高電壓脈沖，可能通過電源線或信號線傳導(dǎo)至SIC MOS管
5.3.2 電網(wǎng)波動時，電壓的突然升高也會對SIC MOS管造成威脅
5.3.3 當感性負載（如電機、變壓器等）突然斷開時，會產(chǎn)生反電動勢，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，對其造成損害
5.4 過電壓對柵極的損害原理
5.4.1 當柵極承受的電壓超過其額定耐壓值時，柵極氧化物會發(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;這會使柵極失去對溝道的控制能力，SIC MOS管無法正常工作，嚴重時會導(dǎo)致器件永久性損壞
5.4.2 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，進一步加劇柵極的損壞
5.5 高溫環(huán)境的影響
5.5.1 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)仍會發(fā)生變化。隨著溫度的升高，SIC MOS管的導(dǎo)通電阻會增大，開關(guān)速度會降低，漏電流也會增加。這些參數(shù)的變化會導(dǎo)致器件的功耗增加，產(chǎn)生更多的熱量，進一步加劇溫度的上升。
當溫度超過一定限度時，會對柵極的材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，降低柵極的可靠性
5.5.2 高溫對柵極材料和結(jié)構(gòu)的影響
高溫會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，增加漏電風險。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)松動或斷裂，影響柵極的正常工作; 在一些高溫應(yīng)用場景中，如汽車發(fā)動機艙內(nèi)的電子設(shè)備，SIC MOS管長期處于高溫環(huán)境下，柵極的損壞概率明顯增加
5.6 制造工藝缺陷
5.6.1 常見的制造工藝問題
在SIC MOS管的制造過程中，可能會出現(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;這些缺陷會導(dǎo)致柵極氧化層的厚度不均勻，局部電場強度過高，從而降低柵極的耐壓能力
雜質(zhì)污染可能會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
5.6.2 工藝缺陷如何導(dǎo)致柵極損壞
柵極氧化層中的針孔會成為電流的泄漏通道，當電流通過針孔時，會產(chǎn)生局部發(fā)熱，導(dǎo)致氧化層進一步損壞。
雜質(zhì)污染會使柵極材料的電阻率發(fā)生變化，影響柵極的電場分布，增加?xùn)艠O擊穿的風險
光刻偏差導(dǎo)致的柵極尺寸不一致，會使不同器件的柵極性能存在差異，在實際應(yīng)用中，性能較差的柵極更容易受到損壞
六 解決方案：柵極保護措施 - 瞬態(tài)抑制二極管
基本工作原理介紹
SMBJ1505CA是一種高效的電路保護器件，其工作原理基于PN結(jié)的雪崩擊穿效應(yīng)。當TVS兩端的電壓超過其擊穿電壓時，TVS會迅速導(dǎo)通，將過電壓鉗位在一個較低的水平，從而保護被保護器件免受過高電壓的沖擊，在電路中，TVS通常與被保護的SIC MOS管柵極并聯(lián)連接。當出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓時，TVS會在極短的時間內(nèi)（通常為納秒級）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管柵極保護設(shè)計的，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)時間、低動態(tài)電阻和高脈沖功率承受能力等特點。快速的響應(yīng)時間能夠確保在過電壓出現(xiàn)的瞬間及時動作，低動態(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不會損壞
使用SMBJ1505CA的原因
防止串擾引起的柵極電壓波動
在半橋電路等應(yīng)用中，SIC MOS管模塊的開關(guān)動作會引起另一個模塊開關(guān)的柵源極電壓波動，即串擾問題。正向串擾可能導(dǎo)致柵極電壓正向抬升，若超過閾值將導(dǎo)致誤開通；負向串擾可能使柵極電壓負向增大，超過負壓耐受極限會導(dǎo)致柵極擊穿，SMBJ1505CA瞬態(tài)抑制二極管可以有效地抑制串擾引起的柵極電壓波動，當柵極電壓出現(xiàn)異常升高或降低時，TVS會迅速導(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
應(yīng)對瞬態(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、感性負載開關(guān)等產(chǎn)生的過電壓。這些過電壓可能會瞬間超過SIC MOS管柵極的耐壓值，對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，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 ：提高柵極的可靠性和穩(wěn)定性、簡化電路設(shè)計和維護
滬公網(wǎng)安備31011702889749號
