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低温MOSFET
阅读:263时间:2018-09-19 11:36:27

    低温( 77K) MOSFET 参数提取工作主要是配合红外读出电路的设计而展开的,红外探测器工作在低温( 77K) 环境下,与之相耦合的硅读出电路也要工作在相同的低温( 77K) 环境下。

概述

   低温( 77K) MOSFET 参数提取工作主要是配合红外读出电路的设计而展开的,红外探测器工作在低温( 77K) 环境下,与之相耦合的硅读出电路也要工作在相同的低温( 77K) 环境下。晶元代工厂只提供常温下的MOSFET 模型及参数,不可能完全吻合低温( 77K) 下器件的真实工作特性。器件模型作为工艺与设计之间的接口,用于大规模集成电路的设计和仿真。
   低温功率电子学的起源
   功率电子学是指把电能从一种形式转换成另外一种形式的科学,该研究的最初目的是要通过交流电力系统为有轨电车提供稳定的直流电源。针对这方面的工程应用,技术人员研究并发展了许多相关技术,包括各种可实现的拓扑结构和控制方式等,在第一次世界大战前,主要是使用汞弧(或水银弧)整流器来实现电力的转换。直到 20 世纪 60 年代,可控硅器件出现,使得功率电子学开始真正成为一门独立的学科,并受到越来越多的关注。
   功率电子学与低温工程(77K~-50℃称为低温)的结合最初来源于美国战略防御委员会(SDIO,后改名为弹道导弹防御委员会)在 70 年代初提出的一项工程,为了给陆基激光武器提供能量,要使用庞大的磁体来储存能量,这需要通过转换装置给磁体充满能量,在使用激光武器的时候,再通过转换装置把能量瞬间输出,这要求该双向转换系统既能储存很高的能量,又要有较小的体积。超导技术的发展使这一想法变成了可能,超导磁体由于体积小、损耗低等优点很好地满足了工程要求。由于超导磁体处于低温环境中,很自然的想法就是能否把能量转换装置也放在低温环境中,实现整体装置结构上的简洁,为实现这一目标,就需要考虑什么样的功率器件适合在低温环境中工作,能量转换装置在低温下的工作性能如何等,这就是推动低温功率电子学研究的最初动力,后来同样的需求在空间站武器系统研究中再次被提出。 [2]
   低温功率转换装置的工作状态与功率器件在低温下的性能密不可分,大量实验结果发现,多子导电的功率 MOSFET 器件可以稳定工作在 20K~300K 温度范围内,在低温下有很好的应用前景。遗憾的是,由于种种原因,在使用普通功率 MOSFET 器件实现了一台几 KW 的低温能量转换装置后,该研究就因为各种原因被无限期搁置。尽管如此,该工程却开创了一个全新的研究领域:低温功率电子学。
   常用功率器件的低温性能
   大量实验结果发现,低温下功率器件的许多性能得到显著改善:
   1.载流子迁移率增大,使得多子导电类功率器件(如功率 MOSFET)的正向导通压降和损耗显著降低,77K 与 300K 相比可提高一个数量级左右。
   2.少子导电类功率器件(如 IGBT)的正向导通电压也大幅度降低,特别是在较高电流密度条件下,正向导通电压的减低更加明显。
   3.金属-半导体和 p-n 结的漏电流在 77K 下将有超过一个数量级的降低,这使得肖特基势垒二极管和双极型器件的漏电流大大减小。
   4.由于功率器件绝大部分失效机理(如雪崩击穿,热击穿,极间扩散等)的温度激化分量都随温度降低呈指数规律减小,低温下器件的可靠性大大提高。
   5.对于 MOS 栅极结构器件,硅功率器件内部产生的随机噪声可能会改变导电率,严重时甚至会使栅极层反型,这将会给转换装置带来灾难性的后果,低温下可以有效地避免这个问题,降低器件内部的热噪声。
   6.对于同样大小的热容,在相同的温差条件下,77K 下器件可承载比 300K 高一个数量级左右的电流密度,这使得 77K 下器件的封装尺寸、重量设计等要求更为宽松。 从上面可以看出,低温功率器件有着常温下不可比拟的优良性能,相对于其它功率器件而言,功率 MOSFET 的多子导电特性使它更适合于低温应用,同时其高开关频率和低损耗也意味着它将会在中小功率低温变换电路中占据重要的地位,功率 MOSFET 已经成为低温功率电子学研究的一个热点。

功率MOSFET低温动态特性研究的意义

   在功率 MOSFET 的诸多特性中,动态特性是非常重要的一个方面,由于功率 MOSFET常被用来实现高速的开通和关断,器件绝大部分失效机理都发生在动态变化过程中,动态特性体现了功率MOSFET的精髓。只有弄清楚动态变化过程中器件内部的变化规律,才能够真正了解低温功率 MOSFET 的工作机理,更好的使用低温功率 MOSFET 器件。另一方面,随着硅基功率器件的制造水平越来越高,器件的性能指标也在不断提高,同时新的问题也开始引起人们的重视:硅基功率器件的性能指标正越来越接近硅材料的极限值,如开关速度、击穿电压、导通压降等,器件性能进一步提高的难度越来越大。
   为了解决这一问题,研究人员进行了大量的研究工作,如改进器件结构、采用新材料(如SiC)来代替硅等。随着低温功率电子学研究的深入,越来越多的研究人员开始意识到,低温环境将很有可能是硅基功率器件性能取得突破的一个重要方向。 为了弄清楚低温功率 MOSFET 的工作机理,更好地为低温功率变换电路的设计和应用提供参考,有必要进行低温功率 MOSFET 的电路级建模和仿真研究。研究发现,功率MOSFET 建模和仿真研究的难度很大,这主要是因为功率 MOSFET 动态特性本身的复杂性,特别是当其承载较大的电流密度时,在开通和关断瞬间,器件承受非常大的dv dt和di dt ,其动态变化过程非常复杂,半导体器件物理的理论基础是建立在低场条件下的,在高场条件下仍需进一步改进和完善。因此,对低温功率 MOSFET 进行电路级建模和仿真探索,对深入了解低温功率 MOSFET 工作机理和工程应用都有非常重要的意义。

潜在的应用领域

   低温功率器件的潜在应用应从两方面来考虑:
   1. 在必须要面对的极端温度环境中,如航天探索和超导材料所必需面临的低温环境。在这种环境条件下,首先是要求功率变换装置能够正常可靠地工作,器件及变换装置性能的改善并不是关键因素。这类应用的目标是选择能在低温或宽温区范围内正常工作的功率器件,设计出满足环境要求的功率变换装置。
   2. 研究功率器件在低温下性能的改善,进一步挖掘硅基功率器件的潜力,如利用低温下通态电阻的降低、动态特性的改善、反向安全工作区的增加等,来实现极大的漏极电流、极高的开关频率、极高的可靠性等,满足特殊工程应用的要求。
   超导电工中的应用
   20 世纪 60 年代超导技术的发展使以前只存在于实验室的想法变成了现实,使用液氦作为冷却剂,人们可以制造出几乎完全没有功率损耗的电气装置,并成功设计出了高磁场系统、超导交流电机和超导电缆等。在随后的十年到二十年左右时间里,该领域的发展令人鼓舞,磁感应强度高达 5T(特斯拉)的高温超导系统已由美国的 Argonne国家实验室研制成功,并在俄罗斯的莫斯科高温研究所安装和投入使用,超导直流输电和超导变压器的研究工作也已取得重大突破,将很快应用于工程实际中。
   由于超导材料本身需要低温环境,可以尝试将包括电力变流器和变压器在内的电力变换装置与超导磁体共同置于低温环境中,这样不仅有利于系统结构的一体化,还可以大大减少电流引线,减小与外界的热量交换,降低制冷成本。另外由于功率 MOSFET、IGBT 等功率器件的性能在低温下都有较大改善,低温功率器件的使用可以提高系统的可靠性(如失超保护)。德国慕尼黑大学已将低温 IGBT 用于 1MJ 的超导储能系统(SMES)中,走在了该领域应用研究的前列。随着超导技术在电工领域的日益实用化,超导发电机、超导限流器、高温超导电缆及超导变压器等装置相继研制成功,这些都为低温功率电子学提了广阔的潜在应用空间。
   核磁共振成像装置中的应用
   核磁共振成像系统是电磁场技术与图象处理技术完美结合的典范,随着超导材料的发展,临界温度在 77K 以上的超导材料已日趋成熟,使用低温超导磁体制造核磁共振成像装置的研究已经展开,这类装置具有重量轻、磁场稳定性好、磁场强度大、成像清晰等优点,可广泛用于肿瘤及心血管疾病的早期诊断,并可用于医疗监测等。
   一台核磁共振成像大约要求有 10kW 左右的电源供应,同时为取得高信噪比,需以300MHz 或更高的频率运行,这意味着 MRI 装置对供电系统的要求非常高,考虑到仪器内部超导磁体所处的低温环境及功率器件在低温下的高频低功耗特性,MRI 系统是低温功率变换电路最有应用前景的领域之一,专注于 MRI 系统研究的美国 MTECH 实验室已经开始了这方面的相关研究工作。
   太空探索中的应用
   近些年来,世界各主要大国都对外层空间和太阳系中其它行星的探索表现出了浓厚的兴趣,各种太空探索活动也日益频繁,这些地方的温度环境都极其恶劣。
   航天器都带有放射性同位素加热单元和温度控制系统,维持探测设备工作在300K 左右,这些装置结构复杂、造价昂贵,并非是理想的解决方案。如果使用低温功率器件就可以彻底抛弃这些装置,减小飞行器的自身重量和体积,增加航天器的有效载荷,提高整个系统的可靠性和使用寿命,降低发射成本,这对宇宙空间探索具有非常重要意义。早在 1996 年,美国宇航局(NASA)就开始了一项名为“Electronic Parts and Packaging Program (NEPP)”的计划,研究常用半导体器件及能量转换电路在低温下的性能,并设计出了用于粒子束推进系统的 1-kW dc/dc 变换器,该变换器选用 N沟道功率 MOSFET 器件,可在 89K(-184℃)~300K 范围内稳定工作,运行参数为:80Vdcin /550Vdcout,77K 下器件的损耗仅有常温下的 1/3~1/4。NASA 的 Lewis 研究中心还对 42/28V、175W、50KHz PWM dc/dc 变换器在 77K 下的工作状态进行了研究,在满载情况下,功率器件损耗明显减小,变换器的效率从常温下的 95.8% 上升到 77K 下的 97% 。

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