SIC MOSチューブのゲートの問題を考えて解決する
新しいタイプのパワー半導体デバイスとして、SIC MOSチューブは、近年、テクノロジーの成熟により、新しいエネルギー車、太陽光発電、スマートグリッド、その他の分野で広く使用されています。速いスイッチング速度、抵抗が低い、高温抵抗などの大きな利点があり、従来のシリコンベースのデバイスの強力な代替品になりました。
新しいエネルギー車両を服用して、SIC MOSチューブは、電力変換効率を改善し、エネルギーの損失を減らし、車両の巡航範囲を増加させるために、オンボードインバーターで使用されます。太陽光発電場では、SIC MOSチューブを使用した太陽光発電インバーターは、より高い出力密度と変換効率を達成し、システムコストを削減できます。
ゲートの問題を研究することの重要性
SIC MOSチューブの主要な制御端として、そのパフォーマンスと信頼性は、デバイス全体の作業安定性と寿命に直接影響します。ゲートが損傷すると、SIC MOSチューブが適切に機能しないため、回路システム全体が故障します。新しいタイプのパワー半導体デバイスとして、SIC MOSチューブは、近年、テクノロジーの成熟により、新しいエネルギー車、太陽光発電、スマートグリッド、その他のフィールドで広く使用されています。速いスイッチング速度、低耐性、高温抵抗などの大きな利点があり、従来のシリコンベースのデバイスの強力な代替品になりました。
チッププロセス構造の概要
SIC MOSチューブのチッププロセス構造には、主に基質、エピタキシャル層、供給源、排水、ゲート、断熱層が含まれています。その中で、基質は通常、高熱伝導率と高い分解電界強度の特性を備えた炭化シリコン材料で作られており、デバイスの優れた物理的支援と電気的基盤を提供します。エピタキシャル層は基板上で成長し、デバイスの電気パラメーターを正確に制御するために使用されます。
ソースとドレインは、電流の入力と出力の端であるチップの両側にあります。ゲートは、絶縁層によってチャネルから分離されています。チャネルの伝導とカットオフは、電圧を適用することにより制御され、それにより電流の調節が実現されます。断熱層は通常、二酸化シリコンなどの材料で作られており、その品質と厚さはゲートの性能に重要な影響を及ぼします。
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チップ内のゲートの位置と機能
位置：ゲートはソースとドレインの間にあり、断熱層を通るチャネルに密接に隣接しています。その主な機能は、電界効果を介してチャネルの導電率を制御し、SIC MOSチューブの伝導とシャットダウンの正確な制御を実現することです。正電圧がゲートに適用されると、電子がチャネルに誘導され、導電性チャネルが形成され、SIC MOSチューブがオンになります。ゲート電圧がゼロになると、チャネル内の電子が消え、導電性チャネルが閉じられ、SIC MOSチューブがオフになります。
機能：ゲートの制御機能は、蛇口のスイッチのようなもので、水流のサイズとオンオフを正確に調整できます（電流）。SICMOSチューブがさまざまな回路用途で安定かつ確実に機能するようにします。
ゲートが簡単に損傷する理由の分析
ミラーコンデンサの作用メカニズム
ポリシリコンの幅、チャネル、トレンチの幅、G極酸化物層の厚さ、PN接合ドーピングプロファイル、SIC MOSチューブなどの要因により、キーミラーコンデンサCGDが重要な役割を果たします。 CGDは一定ではなく、ゲートとドレイン間の電圧の変化とともに急速に変化します
ハイサイドのMOSチューブが突然オンになると、ローサイドMOSチューブの排水電圧が即座に増加します。この時点で、ミラー容量のサイズの電流に電圧変化率を掛けた電流は、低側のMOSチューブのミラーコンデンサで生成されます。ゲートが開いている場合、この電流は以下のCGSコンデンサのみを充電でき、ゲート電圧が突然上昇します。ゲート電圧がMOSチューブのゲートライン電圧VTHを超えると、MOSチューブは誤伝導が発生しやすく、長期誤伝導はゲートに損傷を与えます。
寄生容量によって引き起こされる問題の例
ハーフブリッジ回路では、1つのMOSチューブがオンになると、ミラー容量が存在するため、別のMOSチューブのゲートに影響します。たとえば、ミラー容量の効果により、スイッチング電源アプリケーションでは、ゲートの電圧が異常に上昇し、ゲート電圧範囲を超え、最終的にゲートの分解と損傷を引き起こし、スイッチング電源全体が正常に動作できなくなります。
外部回路の過電圧の原因
外部回路の過電圧は、稲妻のストライキ、パワーグリッドの変動、誘導負荷のスイッチング操作など、さまざまな理由によって引き起こされる場合があります。落雷は、瞬間的な高電圧パルスを生成する可能性があります。
電源グリッドが変動すると、電圧の突然の増加もSIC MOSチューブに脅威をもたらします。
誘導荷重（モーター、トランスなど）が突然切断されると、逆電気力が生成され、非常に高電圧スパイクが形成されます。これらの過電圧は、回路を介してSIC MOSチューブのゲートに送信され、損傷を引き起こす可能性があります。
過電圧によるゲートへの損傷の原理
ゲートの電圧が定格の耐電圧を超えると、酸化ゲートが分解し、ゲートとチャネル間の断熱性能、または短絡さえ減少します。これにより、ゲートはチャネルの制御を失い、SIC MOSチューブは適切に機能しません。重度の場合、それはデバイスに永久的な損傷を引き起こします
また、過電圧はゲート内の熱効果を引き起こし、ゲート材料の温度を急激に上昇させ、材料の性能を劣化させ、ゲートへの損傷をさらに悪化させます
SIC MOSチューブの動作温度特性
SIC MOSチューブは優れた高温性能を持っていますが、その性能パラメーターは依然として高温環境で変化します。温度が上昇すると、SIC MOSチューブの耐性が増加し、スイッチング速度が低下し、漏れ電流が増加します。これらのパラメーターの変化は、デバイスの消費電力を増加させ、より多くの熱を生成し、温度上昇をさらに悪化させます。
温度が一定の制限を超えると、ゲートの材料と構造に影響し、ゲートの信頼性が低下します
ゲートの材料と構造に対する高温の影響
高温はゲートの断熱材の性能を低下させ、ゲートとチャネルの間の断熱抵抗が減少し、漏れのリスクが高まります。また、高温はゲート金属材料の熱膨張を引き起こし、ゲートと他のコンポーネントとの間の接続が緩めまたは破損し、ゲートの通常の動作に影響します。
車のエンジンコンパートメントの電子機器などのいくつかの高温アプリケーションシナリオでは、SIC MOSチューブは長い間高温環境にあり、ゲートに損傷を与える可能性が大幅に増加します。
製造プロセスの欠陥
一般的な製造プロセスの問題
SIC MOSチューブの製造プロセス中に、ゲート酸化物層のピンホール、不純物の汚染、フォトリソグラフィ偏差など、いくつかのプロセス欠陥が発生する可能性があります。これらの欠陥は、ゲート酸化物層の不均一な厚さと過度の局所電界強度を引き起こし、それによりゲートの耐電圧能力を低下させます。
不純物の汚染は、ゲート材料の電気特性を変化させ、ゲートの通常の動作に影響を与える可能性があります。フォトリソグラフィ偏差は、ゲートの寸法精度が不十分であり、デバイスの性能の一貫性に影響を与える可能性があります。
プロセス欠陥がゲートの損傷を引き起こす方法
ゲート酸化物層のピンホールは、電流の漏れチャネルになります。電流がピンホールを通過すると、局所加熱が生成され、酸化物層がさらに損傷します。
不純物の汚染は、ゲート材料の抵抗率を変化させ、ゲートの電界分布に影響を与え、ゲートの故障のリスクを高めます。
フォトリソグラフィ偏差によって引き起こされる一貫性のないゲートサイズは、異なるデバイスのゲート性能に違いを引き起こします。実際のアプリケーションでは、パフォーマンスが低いゲートは、損傷の影響を受けやすくなります。
基本的な作業原則の紹介
SMBJ1505CA は非常に効率的な回路保護デバイスであり、その作業原理はPN接合の雪崩の故障効果に基づいています。テレビ全体の電圧が故障電圧を超えると、テレビはすぐにオンになり、低レベルで過電圧をクランプし、それにより保護されたデバイスが過度の電圧の影響から保護します。回路では、テレビは通常、保護されたSIC MOSチューブのゲートと並行して接続されています。一時的な過電圧が発生すると、テレビは非常に短い時間（通常はナノ秒）で応答し、過電圧を地面にバイパスして、ゲート電圧が安全な範囲内に残ります。
SMBJ1505CA 過渡抑制ダイオードは、SIC MOSチューブゲート保護用に特別に設計されています。その前方ブレークダウン電圧は通常約15Vに設定され、逆の分解電圧は約-5Vに設定されます。このような電圧設定は、SIC MOSチューブのゲート動作電圧範囲に一致し、前後の過電圧による損傷からゲートを効果的に保護できます。このダイオードには、高速応答時間、低動的抵抗、高パルスパワー耐性の特性があります。高速応答時間は、過電圧の時点でタイムリーなアクションを保証できます。低動的抵抗は、クランプ電圧を可能な限り分解電圧に近づけ、高パルスパワー耐性により、大きな電流パルスにさらされるとダイオードが損傷しないことが保証されます。
使用する理由 SMBJ1505CA
クロストークによって引き起こされるゲート電圧の変動を防ぎます
ハーフブリッジ回路などのアプリケーションでは、SIC MOSチューブモジュールの切り替え作用により、別のモジュールのスイッチ、つまりクロストークの問題のゲートソース電圧変動が発生します。正のクロストークは、ゲート電圧を積極的に上昇させる可能性があり、しきい値を超えると、誤った開口部が発生します。負のクロストークは、ゲート電圧を負に増加させる可能性があり、負の電圧耐性制限を超えるとゲートの故障が発生します。 SMBJ1505CA過渡抑制ダイオードは、クロストークによって引き起こされるゲート電圧の変動を効果的に抑制することができます。ゲートの電圧が異常に上昇または落ちると、テレビはすぐにオンになり、安全な範囲内の電圧を固定して、誤った開口とゲートの故障を防ぎます。
一時的な過電圧の脅威に対処する
上記のように、稲妻、電源網の変動、誘導負荷スイッチによって生成される過電圧など、外部回路にはさまざまな過渡的な過電圧脅威があります。これらの過電圧は、SIC MOSチューブゲートの耐率電圧を即座に超えて、ゲートに不可逆的な損傷を引き起こす可能性があります。
過渡的な抑制ダイオードは、過電圧の瞬間に迅速に応答し、安全な範囲内の過電圧を制限し、SIC MOSチューブのゲートを信頼できる保護を提供し、デバイスが厳しい電気環境で正常に機能することを確認できます。
一時的な抑制ダイオードを追加する利点
過電圧とクロストークを抑制することにより、一時的な抑制ダイオードは、ゲートの電気応力を効果的に軽減し、ゲート損傷のリスクを軽減し、それによりSIC MOSチューブのゲートの信頼性と安定性を改善することができます。これにより、SIC MOSチューブのサービス寿命を延長し、機器の故障の発生を減らし、回路システム全体の信頼性を向上させるのに役立ちます。
産業用自動化、パワーエレクトロニクスなどの分野では、機器の信頼性と安定性が非常に重要です。一時的な抑制ダイオードを使用してゲートを保護することで、機器の長期的な安定した動作を確保し、メンテナンスコストを削減できます。
