宽禁带半导体功率器件动态特性研究

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半导体电子器件技术作为推动社会信息化发展的基石,在过去六十年里不断地更迭进步,传统硅(Si)材料器件的性能逐渐逼近理论极限无法满足当前快速发展的市场需求,宽禁带半导体材料凭借其杰出的材料性能在高频、大功率电力电子领域有着广泛的应用前景。目前,以氮化镓(GaN)和氧化镓(Ga2O3)为代表的宽禁带半导体功率器件还不够成熟,尤其是针对GaN和Ga2O3功率器件的动态特性研究不够深入,使得器件的效率与可靠性提升受限,极大地阻碍了其大规模商用。本文在对宽禁带半导体GaN和Ga2O3功率器件动态特性机理分析的基础上,对其动态特性进行系统研究,评估了器件的反向恢复特性、动态导通电阻退化特性和交流特性,为指导器件的进一步优化设计、制备和实用化提供重要参考。主要工作如下:1、设计了能够在片测试宽禁带半导体功率器件反向恢复和导通电阻等特性的多功能硬件测试系统,利用电感伏秒平衡原理实现多脉冲矩形波电流,可对功率器件的各项动态特性参数实现精确测量。2、系统研究了影响宽禁带半导体功率二极管器件反向恢复特性的因素,结果表明电流转换速率和器件反向耐压是影响器件反向恢复特性的主导因素,而器件的正向导通电流对其反向恢复特性影响甚微;其次综合对比了基于GaN和Ga2O3材料的功率器件相对于碳化硅(Si C)和Si基器件的反向恢复优势,表征了GaN和Ga2O3二极管在开关应用中优秀的性能。3、由于传统的双脉冲测试方法对宽禁带GaN功率器件动态导通电阻评估具有片面性,不能准确反映器件导通电阻的变化情况,本文设计了新型的多脉冲测试方法,研究了平面型Al GaN/GaN异质结器件和垂直型GaN PiN二极管器件的动态导通电阻特性,结果表明前者会出现明显的动态导通电阻退化现象,在高压和高频工作时尤其严重,后者由于器件结构的优势,从根本上避免了动态导通电阻退化问题;最后研究了垂直型GaN PiN二极管工作在高频整流电路中的性能,基于半波整流电路和李萨如I-V特性图评估了其高频整流能力。本文通过自主设计的多功能测试系统,首次对GaN和Ga2O3功率二极管器件的反向恢复特性进行系统表征,研究总结了影响其反向恢复的主导因素,验证了宽禁带半导体功率器件杰出的反向恢复特性;设计了新型多脉冲测试方案,精确地表征了不同结构GaN功率器件的导通电阻退化差异,评估了GaN PiN二极管工作在高频整流电路中的性能,为指导器件的进一步优化设计、制备和实用化提供重要参考信息。
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