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系统并网技术
★ 4.0
总电离剂量对LDMOS晶体管性能及热载流子退化的影响
Total Ionizing Dose Effects on the Performance and Hot Carrier Degradation of LDMOS Transistors
| 作者 | Bikram Kishore Mahajan · Yen-Pu Chen · M. Asaduz Zaman Mamun · Muhammad Ashraful Alam |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 横向双扩散MOS晶体管 热载流子退化 总电离剂量 界面陷阱 阈值电压漂移 |
语言:
中文摘要
横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管作为射频和功率放大器,在包括卫星通信和高能物理实验等多种系统中有着广泛的应用。虽然这些系统中使用的LDMOS晶体管存在诸如热载流子退化(HCD)等固有的可靠性问题,但它们同时还会受到高辐射影响。因此,有必要了解辐射过程中产生的界面陷阱与这些晶体管在HCD应力下产生的界面陷阱之间的相互作用。在本文中,我们:1)让LDMOS晶体管承受不同总电离剂量(TID)的伽马辐射和HCD应力;2)使用超级单脉冲电荷泵(CP)技术来量化界面陷阱(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\Delta {N}_{\text {IT}}$ </tex-math></inline-formula>)和俘获电荷(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\Delta {N}_{\text {OT}}$ </tex-math></inline-formula>)的产生情况;3)从阈值电压漂移(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\Delta {V}_{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula>)和线性漏极电流退化(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\Delta {I}_{{D},\text {lin}}$ </tex-math></inline-formula>)的角度研究HCD和TID的综合影响;4)使用著名的基于物理的模型描述HCD和TID之间的相关性;5)将我们的研究结果与不同几何形状、尺寸和偏置的LDMOS进行比较,表明本文结论所推导的模型和推论也可应用于其他LDMOS器件。本文证实了HCD的物理机制具有普遍性,使我们在建立功率场效应晶体管的通用HCD模型方面更进了一步。
English Abstract
Lateral double diffused MOS (LDMOS) transistors have found numerous applications as radio-frequency and power amplifiers in a variety of systems, including satellite communications and high-energy physics experiments. While the LDMOS transistors used in these systems have inherent reliability issues, such as hot carrier degradation (HCD), they are simultaneously subjected to high radiation. Therefore, it is essential to understand how the interface traps created during radiation interact with those created during the HCD stress of these transistors. In this article, we: 1) subject the LDMOS transistors to various total ionizing doses (TIDs) of gamma radiation and HCD stress; 2) use the super single-pulse charge pumping (CP) technique to quantify the generation of interface traps ( N_ IT ) and trapped charges ( N_ OT ); 3) study the combined effect of HCD and TID in terms of threshold voltage shift ( V_ TH ) and linear drain current degradation ( I_D, {lin} ); 4) describe the correlation between HCD and TID using well-known physics-based models; and 5) compare our findings with that of an LDMOS of varied geometry, dimension, and bias, illustrating that the model and inferences drawn from the conclusions of this article can be applied to other LDMOS devices as well. This article establishes that the physics of HCD is universal and takes us a step closer to a generalized HCD model for power FETs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,本论文关于LDMOS晶体管在辐射环境下的可靠性研究具有重要的参考价值。LDMOS器件作为功率半导体的关键组成部分,广泛应用于我司光伏逆变器、储能变流器等核心产品的功率转换电路中,其可靠性直接影响系统的长期稳定运行。
论文揭示的总电离剂量效应(TID)与热载流子退化(HCD)的协同作用机制,对我司产品在特殊应用场景下的可靠性设计具有指导意义。虽然地面光伏系统面临的辐射强度远低于航天应用,但在高海拔地区的光伏电站、以及未来可能拓展的空间太阳能应用中,辐射效应不容忽视。更重要的是,论文建立的界面陷阱生成模型和阈值电压漂移分析方法,可直接应用于评估功率器件在长期高温、高压力工况下的退化机制。
对于阳光电源而言,该研究的技术价值体现在三个方面:首先,可优化功率器件的选型标准,在设计阶段预判器件在复合应力下的寿命表现;其次,有助于建立更精准的逆变器和储能系统加速老化测试模型,缩短产品验证周期;第三,为开发面向极端环境(如沙漠、高原)的高可靠性产品提供理论支撑。
技术挑战在于将实验室研究成果转化为工程应用规范,需要结合实际工况建立本土化的退化数据库。建议与半导体供应商深度合作,将辐射与热应力的协同效应纳入器件规格书,同时在系统级冗余设计和智能运维算法中考虑器件退化的预测性维护,进一步提升产品全生命周期的竞争力。