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超结MOSFET中质子与伽马射线辐射对阈值电压漂移及反向恢复特性的比较研究
Comparative Study of Proton and Gamma-Ray Radiation on the Threshold Voltage Shifts and the Reverse Recovery of Superjunction MOSFETs
| 作者 | Sangyun Song · Seunghyun Park · Dong-Seok Kim · Hyemin Kang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 辐射 超结MOSFET 总电离剂量效应 反向恢复特性 阈值电压变化 |
语言:
中文摘要
随着功率半导体器件在高辐射环境中的应用日益广泛,了解不同类型辐射对器件性能的影响至关重要。本研究探究了伽马射线和质子辐照对超结(SJ)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)的影响,着重分析了总电离剂量(TID)效应和反向恢复特性的差异。两种辐照类型都会因总电离剂量效应导致阈值电压发生变化,但这两种辐射特性导致了不同的阈值电压变化模式。此外,在反向恢复特性方面,与伽马射线相比,具有质量和电荷的质子会在器件中形成缺陷并促进电荷复合,从而导致更明显的反向恢复电荷(<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${Q}_{\text {rr}}$ </tex - math></inline - formula>)、降低的最大反向恢复电流(<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I}_{\text {rrm}}$ </tex - math></inline - formula>)以及增大的软度因子(S)。
English Abstract
With the increasing use of power semiconductor devices in radiation-rich environments, it is essential to understand the effects of different radiation types on device performance. This study investigates the effects of gamma-ray and proton irradiation on superjunction (SJ) metal-oxide–semiconductor field-effect transistors (MOSFETs), highlighting differences in total ionizing dose (TID) effects and reverse recovery characteristics. Both irradiation types caused threshold voltage changes due to the TID effect, but the two radiation characteristics resulted in different threshold voltage change patterns. In addition, in the reverse recovery characteristics, protons with the mass and charge compared to gamma rays formed defects in the device and promoted charge recombination, resulting in a more pronounced reverse recovery charge ( Q_ rr ), decreased maximum reverse recovery current ( I_ rrm ), and increased softness factor (S).
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该研究对我们在特殊应用场景下的产品可靠性具有重要参考价值。随着光伏、储能系统在航空航天、高海拔地区、极地科考站等辐射环境中的应用日益增多,超结MOSFET作为逆变器和储能变流器核心功率器件的抗辐射性能直接影响系统长期稳定性。
研究揭示的质子与伽马射线辐照差异对我们的器件选型和系统设计具有指导意义。质子辐照导致的阈值电压漂移模式与伽马射线不同,且会在器件内部形成缺陷,这在空间光伏电站、卫星储能系统等应用中尤为关键。更值得关注的是,质子辐照下反向恢复电荷增加、峰值电流降低的特性变化,将直接影响我们逆变器的开关损耗、EMI特性和效率表现。这要求我们在面向特殊环境的产品开发中,需要针对性地进行辐照加固设计或选用抗辐射性能更优的器件。
从技术成熟度看,该研究仍处于基础表征阶段,距离工程应用尚有距离。对阳光电源而言,短期内可将研究结论纳入高可靠性产品的失效模式分析(FMEA)和加速老化测试体系中;中长期则可与器件供应商合作开发抗辐射增强型功率模块,或在控制算法层面补偿辐照引起的参数漂移。
技术挑战在于辐照测试成本高昂且周期长,但这也为我们在新兴的空间能源、极端环境能源解决方案市场建立技术壁垒提供了机遇,特别是在国家"深空探测"和"极地科考"战略背景下,具有前瞻布局价值。