← 返回
功率器件技术 ★ 5.0

总电离剂量辐射电荷对沟槽型功率MOSFET电容的调制

Capacitance Modulation in Trench MOSFETs Induced by TID Radiation Charge

作者 Shenghuai Liu · Xin Zhou · Zhao Wang · Huan Gao · Qingchen Jiang · Hongze Chu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年9月
技术分类 功率器件技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 总电离剂量辐射 沟槽功率MOSFET 电容退化 辐射电荷调制电容模型 栅电荷
语言:

中文摘要

本文研究了总电离剂量(TID)辐射电荷对沟槽功率MOSFET电容的调制作用。提出了一种辐射电荷调制电容模型,以有效表征TID辐射下输入电容($C_{iss}$)和输出电容($C_{oss}$)的退化情况。揭示了TID引起电容退化的机制。在低漏极电压($V_{D}$)下,辐照后栅 - 漏电容($C_{gd}$)和漏 - 源电容($C_{ds}$)增大,而栅 - 源电容($C_{gs}$)减小。在高漏极电压下,$C_{gd}$和$C_{ds}$几乎不变,而$C_{gs}$继续减小。辐射电荷等效地调制了硅层中的掺杂浓度,改变了耗尽层宽度,从而导致电容变化。所提出的模型与实验结果和仿真结果均吻合良好。测量的栅极电荷结果表明,辐照后栅 - 漏电荷($Q_{gd}$)增加,栅 - 源电荷($Q_{gs}$)减少,这为机制解释提供了进一步的支持。

English Abstract

This article investigates the modulation of total ionizing dose (TID) radiation charge on the capacitance of trench power MOSFET. A radiation charge modulated capacitance model is proposed to effectively characterize the degradation of input ( C_ iss ) and output capacitance ( C_ oss ) under TID radiation. The mechanism of TID-induced capacitance degradation is revealed. At low drain voltage ( V_D ) , the gate–drain capacitance ( C_ gd ) and drain–source capacitance ( C_ ds ) increase after irradiation, while the gate–source capacitance ( C_ gs ) decreases. C_ gd and C_ ds are almost unchanged at high drain voltage, and C_ gs remains to decrease. The radiation charge equivalently modulates the doping concentration in the silicon layer, which alters the depletion width and leads to capacitance variation. The proposed model fits well with both experimental and simulation results. Measured gate charge results indicate that gate–drain charge ( Q_ gd ) increases and gate–source ( Q_ gs ) decreases after irradiation, providing further support for mechanistic explanations.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于沟槽型MOSFET总电离剂量(TID)辐射效应的研究具有重要的战略参考价值。作为光伏逆变器和储能系统的核心功率器件,MOSFET的可靠性直接影响产品在特殊应用场景下的性能表现。

该研究揭示了辐射环境下功率器件电容特性的退化机理,这对阳光电源拓展航空航天、高海拔、极地等特殊环境应用市场具有指导意义。研究发现TID辐射会导致输入电容Ciss和输出电容Coss发生显著变化,其中栅漏电容Cgd和漏源电容Cds在低漏压下增大,而栅源电容Cgs持续减小。这些电容参数的变化将直接影响逆变器的开关损耗、dv/dt应力和EMI特性,进而影响系统效率和可靠性。

从技术应用角度,该模型为阳光电源在产品设计阶段预测器件在辐射环境下的性能退化提供了理论工具,有助于优化驱动电路设计、调整死区时间和改进热管理策略。特别是对于储能系统和电动汽车充电设备等长寿命产品,理解辐射累积效应对于提升25-30年全生命周期可靠性至关重要。

然而,该研究主要聚焦于机理建模,距离工程化应用仍有距离。阳光电源需关注的挑战包括:不同工艺节点器件的辐射敏感性差异、实际工况下温度与辐射的耦合效应、以及抗辐射加固技术的成本效益评估。建议与功率半导体供应商深度合作,将辐射可靠性纳入器件选型标准,同时在新一代碳化硅器件研发中前瞻性考虑抗辐射设计,为进军高端特种应用市场建立技术壁垒。