一种高可靠平面型静电感应晶体管特性研究

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静电感应晶体管(Static Induction Transistor,SIT)是近年来重新发展起来的一类功率器件。由于其具有耐压高、电流容量大、抗辐射性能好等优点逐渐受到人们的重视。工作在航天航空领域的功率器件长期面临着来自空间环境的高能质子、重离子和各种射线的威胁,容易发生辐射效应,器件性能受到严重影响甚至发生烧毁失效。本文主要是对静电感应晶体管发生单粒子烧毁效应的失效机理进行研究,包括理论分析、器件仿真、单粒子效应的影响因素仿真及对静电感应晶体管试制样品的电学性能测试。主要内容如下:一是对静电感应器件的发展历史及空间辐射对功率器件造成的影响进行了阐述,并介绍了静电感应晶体管的典型结构,最终选择平面型埋栅结构的静电感应晶体管作为本文研究目标。二是对静电感应晶体管的工作原理、势垒形成、受到辐射时发生的光电效应进行理论分析。根据预期目标确定器件的元胞参数,对其基本电学特性进行研究并仿真,包括静态电学特性和动态电学特性。元胞仿真耐压为580V,夹断电压为-2V,比导通电阻为29.4Ω·mm2,开启时间为11.3ns,关断时间为4.5ns。三是对静电感应晶体管单粒子烧毁效应进行模拟仿真研究,确定模型及参数。将埋栅型静电感应晶体管和垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,VDMOSFET)进行了抗单粒子烧毁效应仿真对比,从VDMOS的单粒子烧毁效应失效机理对照分析SIT的单粒子烧毁效应失效机理。仿真结果表明,SIT与VDMOS两种器件常态漏源击穿电压分别为580V和660V,栅极反偏压为-10V时,SIT的单粒子烧毁效应临界漏极电压为440V,远高于VDMOS关断时漏极临界电压的230V;SIT发生单粒子烧毁效应时的漏极电流数量级为10-3A/μm,VDMOS发生单粒子烧毁效应时漏极电流数量级为10-4A/μm,埋栅型SIT较VDMOS在抗单粒子烧毁效应方面更具有优势。四是进一步分析了静电感应晶体管发生单粒子烧毁效应时的失效机理及影响因素。对其发生单粒子烧毁效应前后的电场电势分布进行研究,同时对其可能产生的影响因素做了仿真,得到不同栅偏压下静电感应晶体管发生单粒子烧毁效应的漏极临界电压,理论上得到了改善静电感应晶体管的单粒子烧毁效应的条件,包括适当增加外延层厚度、降低载流子寿命、减少两栅极间宽度等。五是将试制的静电感应晶体管样品进行电学特性测试,包括静态和动态电学特性测试。为后续的单粒子试验完成前期准备工作。测试样品最大漏源关断电压530V,栅源击穿电压30V,导通电阻75mΩ,饱和漏电流11A,导通延时时间td(on)26.8ns,上升时间tr 85.2ns,关断延时时间td(off)29.2ns,下降时间tf 52.2ns。
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