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功率器件技术 SiC器件 ★ 4.0

各种4H-SiC MOSFET和JBS二极管C-V曲线中突降现象的调整

Adjustment of Abrupt Drops in the C-V Curves of Various 4H-SiC MOSFETs and JBS Diodes

作者 Ruei-Ci Wu · Kung-Yen Lee · Pei-Chun Liao
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2024年12月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 MOSFETs JBS二极管 C - V曲线 浓度结构 反向恢复时间
语言:

中文摘要

本研究表明,通过设计 P 型区域、N 型结型场效应晶体管(JFET)区域和 N 型漂移区域的浓度和结构,可以调节平面金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)和无 P 柱的结势垒肖特基(JBS)二极管的电容 - 电压(C - V)曲线中突变下降对应的电压。当上部 N 型区域的浓度远高于下部 N 型区域,且宽度比下方 N 型区域的宽度窄时,MOSFET 和 JBS 的 C - V 曲线均会出现突变下降。从测量结果来看,在本研究中,当上部 N 型区域的浓度是下部 N 型区域浓度的 5 倍时,JBS 的突变下降变得相对陡峭且明显。具有多个(等于或多于 3 个)P 型和 N 型区域的 MOSFET 的仿真结果也表明,在上述条件下,C - V 曲线会出现多次突变下降。本研究仅确定了浓度和宽度的临界值。此外,测量和仿真得到的开关波形显示,当与突变下降对应的漏源电压(${V}_{\textit {ds}}$)降低时,反向恢复时间(${t}_{\textit {rr}}$)会缩短,导通能量损耗(${E}_{\textit {on}}$)可能会降低。

English Abstract

This study demonstrates the corresponding voltages to the abrupt drops in the C-V curves of the planar metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) and junction barrier Schottky (JBS) diodes without the P-pillar can be adjusted by designing the concentrations and structures of P-type regions, N-type junction field-effect transistor (JFET) regions, and N-type drift regions. When the concentrations of the upper N-type regions are much higher than those of the lower N-type regions and the widths are narrower than those of the N-type region beneath, both the C-V curves of MOSFETs and JBS show abrupt drops. From the measured results, the abrupt drop of the JBS becomes relatively steep and obvious when the concentration of the upper N-type region is 5 times higher than that of the lower N-type region in this study. The simulation results of the MOSFETs with multiple (equal to or more than 3) P- and N-type regions also demonstrate the multiple abrupt drops in the C-V curve under the above-mentioned conditions. The critical values of the concentrations and widths are decided in this study only. Additionally, the measured and simulated switching waveforms show when the V_ ds corresponding to the abrupt drop decreases, the reverse recovery time ( t_ rr ) is shortened, and turn-on energy loss ( E_ on ) may be reduced.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于4H-SiC MOSFET和JBS二极管C-V特性优化的研究具有重要的战略价值。碳化硅功率器件是光伏逆变器和储能变流器的核心组件,直接影响系统效率、功率密度和可靠性。

该研究通过精确设计P型区、N型JFET区和N型漂移区的掺杂浓度与结构,实现了对C-V曲线突降电压的可控调节。这一技术突破对阳光电源的产品开发具有多重价值:首先,通过优化器件的电容特性,可以显著缩短反向恢复时间(trr)并降低开通能耗(Eon),这直接转化为逆变器和储能系统更高的转换效率和更低的热损耗。在大型地面电站和工商业储能应用中,即使0.1%的效率提升也能带来可观的经济收益。其次,改善的开关特性有助于提升功率密度,支持阳光电源持续推进产品小型化和轻量化的战略目标。

从技术成熟度评估,该研究仍处于器件层面的优化阶段,距离规模化应用尚需时日。主要挑战在于:多层P-N结构的工艺控制精度要求极高,量产良率和成本控制需要验证;不同应用场景对C-V特性的需求差异较大,需要建立完整的设计规范库。

建议阳光电源与SiC器件供应商建立深度合作,参与定制化器件的早期开发,将系统级性能需求前置到器件设计阶段。同时,可在实验室环境下验证该技术对1500V高压系统和高频化拓扑的适配性,为下一代高性能逆变器和储能产品储备核心技术竞争力。