低溫( 77K) MOSFET 參數(shù)提取工作主要是配合紅外讀出電路的設計而展開的�紅外探測�工作在低�( 77K) �(huán)境下,與之相耦合的硅讀出電路也要工作在相同的低�( 77K) �(huán)境下�
低溫( 77K) MOSFET 參數(shù)提取工作主要是配合紅外讀出電路的設計而展開的,紅外探測器工作在低�( 77K) �(huán)境下,與之相耦合的硅讀出電路也要工作在相同的低�( 77K) �(huán)境下。晶元代工廠只提供常溫下的MOSFET 模型及參�(shù),不可能完全吻合低溫( 77K) 下器件的真實工作特�。器件模型作為工藝與設計之間的接口,用于大規(guī)模集成電路的設計和仿��
低溫功率電子學的起源
功率電子學是指把電能從一種形式轉(zhuǎn)換成另外一種形式的科學,該研究的最初目的是要通過交流電力系統(tǒng)為有軌電車提供穩(wěn)定的直流電源。針對這方面的工程應用,技�(shù)人員研究并發(fā)展了許多相關技�(shù),包括各種可實現(xiàn)的拓撲結(jié)�(gòu)和控制方式等,在次世界大�(zhàn)�,主要是使用�?。ɑ蛩y?。┱髌鱽韺崿F(xiàn)電力的轉(zhuǎn)換。直� 20 世紀 60 年代,可控硅器件出現(xiàn),使得功率電子學開始真正成為一門獨立的學科,并受到越來越多的關注�
功率電子學與低溫工程�77K~-50℃稱為低溫)的結(jié)合最初來源于美國�(zhàn)略防御委員會(SDIO,后改名為彈道導彈防御委員會)在 70 年代初提出的一項工�,為了給陸基激光武器提供能量,要使用龐大的磁體來儲存能�,這需要通過�(zhuǎn)換裝置給磁體充滿能量,在使用激光武器的時�,再通過�(zhuǎn)換裝置把能量瞬間輸出,這要求該雙向�(zhuǎn)換系�(tǒng)既能儲存很高的能�,又要有較小的體積。超導技�(shù)的發(fā)展使這一想法變成了可�,超導磁體由于體積小、損耗低等優(yōu)點很好地滿足了工程要�。由于超導磁體處于低溫環(huán)境中,很自然的想法就是能否把能量�(zhuǎn)換裝置也放在低溫�(huán)境中,實�(xiàn)整體裝置�(jié)�(gòu)上的簡潔,為實現(xiàn)這一目標,就需要考慮什么樣的功率器件適合在低溫�(huán)境中工作,能量轉(zhuǎn)換裝置在低溫下的工作性能如何�,這就是推動低溫功率電子學研究的最初動力,后來同樣的需求在空間站武器系�(tǒng)研究中再次被提出� [2]
低溫功率�(zhuǎn)換裝置的工作狀�(tài)與功率器件在低溫下的性能密不可分,大量實驗結(jié)果發(fā)�(xiàn),多子導電的功率 MOSFET 器件可以�(wěn)定工作在 20K~300K 溫度范圍�(nèi),在低溫下有很好的應用前�。遺憾的�,由于種種原�,在使用普通功� MOSFET 器件實現(xiàn)了一臺幾 KW 的低溫能量轉(zhuǎn)換裝置后,該研究就因為各種原因被無限期擱�。盡管如�,該工程卻開�(chuàng)了一個全新的研究領域:低溫功率電子學�
常用功率器件的低溫性能
大量實驗�(jié)果發(fā)�(xiàn),低溫下功率器件的許多性能得到顯著改善�
1.載流子遷移率增�,使得多子導電類功率器件(如功率 MOSFET)的正向?qū)▔航岛蛽p耗顯著降低,77K � 300K 相比可提高一個數(shù)量級左右�
2.少子導電類功率器件(如 IGBT)的正向?qū)妷阂泊蠓冉�?,特別是在較高電流密度條件下,正�?qū)妷旱臏p低更加明顯�
3.金�-半導體和 p-n �(jié)的漏電流� 77K 下將有超過一個數(shù)量級的降�,這使得肖特基勢壘二極管和雙極型器件的漏電流大大減小�
4.由于功率器件絕大部分失效機理(如雪崩擊�,熱擊穿,極間擴散等)的溫度激化分量都隨溫度降低呈指數(shù)�(guī)律減�,低溫下器件的可靠性大大提��
5.對� MOS 柵極�(jié)�(gòu)器件,硅功率器件�(nèi)部產(chǎn)生的隨機噪聲可能會改變導電率,嚴重時甚至會使柵極層反型,這將會給�(zhuǎn)換裝置帶來災難性的后果,低溫下可以有效地避免這個問題,降低器件�(nèi)部的熱噪��
6.對于同樣大小的熱容,在相同的溫差條件下�77K 下器件可承載� 300K 高一個數(shù)量級左右的電流密�,這使� 77K 下器件的封裝尺寸、重量設計等要求更為寬松� 從上面可以看�,低溫功率器件有著常溫下不可比擬的優(yōu)良性能,相對于其它功率器件而言,功� MOSFET 的多子導電特性使它更適合于低溫應�,同時其高開關頻率和低損耗也意味著它將會在中小功率低溫變換電路中占據(jù)重要的地�,功� MOSFET 已經(jīng)成為低溫功率電子學研究的一個熱點�
在功� MOSFET 的諸多特性中,動�(tài)特性是非常重要的一個方�,由于功� MOSFET常被用來實現(xiàn)高速的開通和關斷,器件絕大部分失效機理都�(fā)生在動態(tài)變化過程�,動�(tài)特性體�(xiàn)了功率MOSFET的精髓。只有弄清楚動態(tài)變化過程中器件內(nèi)部的變化�(guī)�,才能夠真正了解低溫功率 MOSFET 的工作機�,更好的使用低溫功率 MOSFET 器件。另一方面,隨著硅基功率器件的制造水平越來越高,器件的性能指標也在不斷提高,同時新的問題也開始引起人們的重視:硅基功率器件的性能指標正越來越接近硅材料的極限�,如開關速度、擊穿電�、導通壓降等,器件性能進一步提高的難度越來越大�
為了解決這一問題,研究人員進行了大量的研究工作,如改進器件結(jié)�(gòu)、采用新材料(如SiC)來代替硅等。隨著低溫功率電子學研究的深�,越來越多的研究人員開始意識�,低溫環(huán)境將很有可能是硅基功率器件性能取得突破的一個重要方向� 為了弄清楚低溫功� MOSFET 的工作機�,更好地為低溫功率變換電路的設計和應用提供參考,有必要進行低溫功率 MOSFET 的電路級建模和仿真研�。研究發(fā)�(xiàn),功率MOSFET 建模和仿真研究的難度很大,這主要是因為功率 MOSFET 動態(tài)特性本身的復雜�,特別是當其承載較大的電流密度時,在開通和關斷瞬間,器件承受非常大的dv dt和di dt ,其動態(tài)變化過程非常復雜,半導體器件物理的理論基礎是建立在低場條件下�,在高場條件下仍需進一步改進和完善。因此,對低溫功� MOSFET 進行電路級建模和仿真探索,對深入了解低溫功率 MOSFET 工作機理和工程應用都有非常重要的意義�
低溫功率器件的潛在應用應從兩方面來考慮�
1. 在必須要面對的極端溫度環(huán)境中,如航天探索和超導材料所必需面臨的低溫環(huán)�。在這種�(huán)境條件下,首先是要求功率變換裝置能夠�??煽康毓�?,器件及變換裝置性能的改善并不是關鍵因素。這類應用的目標是選擇能在低溫�?qū)挏貐^(qū)范圍�(nèi)正常工作的功率器�,設計出滿足�(huán)境要求的功率變換裝置�
2. 研究功率器件在低溫下性能的改�,進一步挖掘硅基功率器件的潛力,如利用低溫下通態(tài)電阻的降�、動�(tài)特性的改善、反向安全工作區(qū)的增加等,來實現(xiàn)極大的漏極電�、極高的開關頻率、極高的可靠性等,滿足特殊工程應用的要求�
超導電工中的應用
20 世紀 60 年代超導技�(shù)的發(fā)展使以前只存在于實驗室的想法變成了現(xiàn)�,使用液氦作為冷卻劑,人們可以制造出幾乎完全沒有功率損耗的電氣裝置,并成功設計出了高磁場系�(tǒng)、超導交流電機和超導電纜�。在隨后的十年到二十年左右時間里,該領域的發(fā)展令人鼓�,磁感應強度高達 5T(特斯拉)的高溫超導系統(tǒng)已由美國� Argonne國家實驗室研制成功,并在俄羅斯的莫斯科高溫研究所安裝和投入使�,超導直流輸電和超導變壓器的研究工作也已取得重大突破,將很快應用于工程實際中�
由于超導材料本身需要低溫環(huán)境,可以嘗試將包括電力變流器和變壓器在內(nèi)的電力變換裝置與超導磁體共同置于低溫�(huán)境中,這樣不僅有利于系�(tǒng)�(jié)�(gòu)的一體化,還可以大大減少電流引線,減小與外界的熱量交�,降低制冷成�。另外由于功� MOSFET、IGBT 等功率器件的性能在低溫下都有較大改善,低溫功率器件的使用可以提高系統(tǒng)的可靠性(如失超保護)。德國慕尼黑大學已將低溫 IGBT 用于 1MJ 的超導儲能系�(tǒng)(SMES)中,走在了該領域應用研究的前列。隨著超導技�(shù)在電工領域的日益實用�,超導發(fā)電機、超導限流器、高溫超導電纜及超導變壓器等裝置相繼研制成功,這些都為低溫功率電子學提了廣闊的潛在應用空間�
核磁共振成像裝置中的應用
核磁共振成像系統(tǒng)是電磁場技�(shù)與圖象處理技�(shù)完美�(jié)合的典范,隨著超導材料的�(fā)展,臨界溫度� 77K 以上的超導材料已日趨成熟,使用低溫超導磁體制造核磁共振成像裝置的研究已經(jīng)展開,這類裝置具有重量�、磁場穩(wěn)定性好、磁場強度大、成像清晰等�(yōu)點,可廣泛用于腫瘤及心血管疾病的早期診斷,并可用于醫(yī)療監(jiān)測等�
一臺核磁共振成像大約要求有 10kW 左右的電源供�,同時為取得高信噪比,需�300MHz 或更高的頻率運行,這意味著 MRI 裝置對供電系�(tǒng)的要求非常高,考慮到儀器內(nèi)部超導磁體所處的低溫�(huán)境及功率器件在低溫下的高頻低功耗特�,MRI 系統(tǒng)是低溫功率變換電路最有應用前景的領域之一,專注于 MRI 系統(tǒng)研究的美� MTECH 實驗室已�(jīng)開始了這方面的相關研究工作�
太空探索中的應用
近些年來,世界各主要大國都對外層空間和太陽系中其它行星的探索表現(xiàn)出了濃厚的興趣,各種太空探索活動也日益頻�,這些地方的溫度環(huán)境都極其惡劣�
航天器都帶有放射性同位素加熱單元和溫度控制系�(tǒng),維持探測設備工作在300K 左右,這些裝置�(jié)�(gòu)復雜、造價昂貴,并非是理想的解決方�。如果使用低溫功率器件就可以徹底拋棄這些裝置,減小飛行器的自身重量和體積,增加航天器的有效載�,提高整個系�(tǒng)的可靠性和使用壽命,降低發(fā)射成本,這對宇宙空間探索具有非常重要意義。早� 1996 �,美國宇航局(NASA)就開始了一項名為“Electronic Parts and Packaging Program (NEPP)”的計劃,研究常用半導體器件及能量轉(zhuǎn)換電路在低溫下的性能,并設計出了用于粒子束推進系�(tǒng)� 1-kW dc/dc 變換�,該變換器選� N溝道功率 MOSFET 器件,可� 89K�-184℃)~300K 范圍�(nèi)�(wěn)定工�,運行參�(shù)為:80Vdcin /550Vdcout�77K 下器件的損耗僅有常溫下� 1/3~1/4。NASA � Lewis 研究中心還對 42/28V�175W�50KHz PWM dc/dc 變換器在 77K 下的工作狀�(tài)進行了研究,在滿載情況下,功率器件損耗明顯減小,變換器的效率從常溫下� 95.8% 上升� 77K 下的 97% �
維庫電子�,電子知�,一查百��
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