低溫( 77K) MOSFET 參數(shù)提取工作主要是配合紅外讀出電路的�(shè)�(jì)而展開的�紅外探測(cè)�工作在低�( 77K) �(huán)境下,與之相耦合的硅讀出電路也要工作在相同的低�( 77K) �(huán)境下�
低溫( 77K) MOSFET 參數(shù)提取工作主要是配合紅外讀出電路的�(shè)�(jì)而展開的,紅外探�(cè)器工作在低溫( 77K) �(huán)境下,與之相耦合的硅讀出電路也要工作在相同的低�( 77K) �(huán)境下。晶元代工廠只提供常溫下的MOSFET 模型及參�(shù),不可能完全吻合低溫( 77K) 下器件的真實(shí)工作特性。器件模型作為工藝與�(shè)�(jì)之間的接�,用于大�(guī)模集成電路的�(shè)�(jì)和仿��
低溫功率電子�(xué)的起�
功率電子�(xué)是指把電能從一種形式轉(zhuǎn)換成另外一種形式的科學(xué),該研究的最初目的是要通過交流電力系統(tǒng)為有軌電車提供穩(wěn)定的直流電源。針�(duì)這方面的工程�(yīng)�,技�(shù)人員研究并發(fā)展了許多相關(guān)技�(shù),包括各種可�(shí)�(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)�(gòu)和控制方式等,在次世界大�(zhàn)�,主要是使用�?。ɑ蛩y?。┱髌鱽韺?shí)�(xiàn)電力的轉(zhuǎn)�。直� 20 世紀(jì) 60 年代,可控硅器件出現(xiàn),使得功率電子學(xué)開始真正成為一門�(dú)立的�(xué)�,并受到越來越多的關(guān)��
功率電子�(xué)與低溫工程(77K~-50℃稱為低溫)的結(jié)合最初來源于美國(guó)�(zhàn)略防御委員會(huì)(SDIO,后改名為彈道導(dǎo)彈防御委員會(huì))在 70 年代初提出的一�(xiàng)工程,為了給陸基激光武器提供能量,要使用龐大的磁體來儲(chǔ)存能�,這需要通過�(zhuǎn)換裝置給磁體充滿能量,在使用激光武器的�(shí)�,再通過�(zhuǎn)換裝置把能量瞬間輸出,這要求該雙向�(zhuǎn)換系�(tǒng)既能�(chǔ)存很高的能量,又要有較小的體�。超�(dǎo)技�(shù)的發(fā)展使這一想法變成了可能,超導(dǎo)磁體由于體積�、損耗低等優(yōu)�(diǎn)很好地滿足了工程要求。由于超�(dǎo)磁體處于低溫�(huán)境中,很自然的想法就是能否把能量�(zhuǎn)換裝置也放在低溫�(huán)境中,實(shí)�(xiàn)整體裝置�(jié)�(gòu)上的�(jiǎn)�,為�(shí)�(xiàn)這一目標(biāo),就需要考慮什么樣的功率器件適合在低溫�(huán)境中工作,能量轉(zhuǎn)換裝置在低溫下的工作性能如何�,這就是推�(dòng)低溫功率電子�(xué)研究的最初動(dòng)�,后來同樣的需求在空間站武器系�(tǒng)研究中再次被提出� [2]
低溫功率�(zhuǎn)換裝置的工作狀�(tài)與功率器件在低溫下的性能密不可分,大量實(shí)�(yàn)�(jié)果發(fā)�(xiàn),多子導(dǎo)電的功率 MOSFET 器件可以�(wěn)定工作在 20K~300K 溫度范圍�(nèi),在低溫下有很好的應(yīng)用前景。遺憾的�,由于種種原�,在使用普通功� MOSFET 器件�(shí)�(xiàn)了一�(tái)� KW 的低溫能量轉(zhuǎn)換裝置后,該研究就因?yàn)楦鞣N原因被無限期擱置。盡管如�,該工程卻開�(chuàng)了一�(gè)全新的研究領(lǐng)域:低溫功率電子�(xué)�
常用功率器件的低溫性能
大量�(shí)�(yàn)�(jié)果發(fā)�(xiàn),低溫下功率器件的許多性能得到顯著改善�
1.載流子遷移率增�,使得多子導(dǎo)電類功率器件(如功率 MOSFET)的正向?qū)▔航岛蛽p耗顯著降低,77K � 300K 相比可提高一�(gè)�(shù)量級(jí)左右�
2.少子導(dǎo)電類功率器件(如 IGBT)的正向?qū)妷阂泊蠓冉�?,特別是在較高電流密度條件下,正�?qū)妷旱臏p低更加明��
3.金�-半導(dǎo)體和 p-n �(jié)的漏電流� 77K 下將有超過一�(gè)�(shù)量級(jí)的降低,這使得肖特基�(shì)壘二極管和雙極型器件的漏電流大大減小�
4.由于功率器件絕大部分失效機(jī)理(如雪崩擊�,熱擊穿,極間擴(kuò)散等)的溫度激化分量都隨溫度降低呈指數(shù)�(guī)律減�,低溫下器件的可靠性大大提高�
5.對(duì)� MOS 柵極�(jié)�(gòu)器件,硅功率器件�(nèi)部產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲可能�(huì)改變�(dǎo)電率,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)箹艠O層反�,這將�(huì)給轉(zhuǎn)換裝置帶來災(zāi)難性的后果,低溫下可以有效地避免這�(gè)問題,降低器件內(nèi)部的熱噪��
6.對(duì)于同樣大小的熱容,在相同的溫差條件下�77K 下器件可承載� 300K 高一�(gè)�(shù)量級(jí)左右的電流密�,這使� 77K 下器件的封裝尺寸、重量設(shè)�(jì)等要求更為寬�� 從上面可以看�,低溫功率器件有著常溫下不可比擬的優(yōu)良性能,相�(duì)于其它功率器件而言,功� MOSFET 的多子導(dǎo)電特性使它更適合于低溫應(yīng)用,同時(shí)其高開關(guān)頻率和低損耗也意味著它將會(huì)在中小功率低溫變換電路中占據(jù)重要的地位,功率 MOSFET 已經(jīng)成為低溫功率電子�(xué)研究的一�(gè)熱點(diǎn)�
在功� MOSFET 的諸多特性中,動(dòng)�(tài)特性是非常重要的一�(gè)方面,由于功� MOSFET常被用來�(shí)�(xiàn)高速的開通和�(guān)斷,器件絕大部分失效�(jī)理都�(fā)生在�(dòng)�(tài)變化過程�,動(dòng)�(tài)特性體�(xiàn)了功率MOSFET的精�。只有弄清楚�(dòng)�(tài)變化過程中器件內(nèi)部的變化�(guī)�,才能夠真正了解低溫功率 MOSFET 的工作機(jī)�,更好的使用低溫功率 MOSFET 器件。另一方面,隨著硅基功率器件的制造水平越來越�,器件的性能指標(biāo)也在不斷提高,同�(shí)新的問題也開始引起人們的重視:硅基功率器件的性能指標(biāo)正越來越接近硅材料的極限�,如開關(guān)速度、擊穿電�、導(dǎo)通壓降等,器件性能�(jìn)一步提高的難度越來越大�
為了解決這一問題,研究人員�(jìn)行了大量的研究工�,如改�(jìn)器件�(jié)�(gòu)、采用新材料(如SiC)來代替硅等。隨著低溫功率電子學(xué)研究的深入,越來越多的研究人員開始意�(shí)�,低溫環(huán)境將很有可能是硅基功率器件性能取得突破的一�(gè)重要方向� 為了弄清楚低溫功� MOSFET 的工作機(jī)理,更好地為低溫功率變換電路的設(shè)�(jì)和應(yīng)用提供參�,有必要�(jìn)行低溫功� MOSFET 的電路級(jí)建模和仿真研究。研究發(fā)�(xiàn),功率MOSFET 建模和仿真研究的難度很大,這主要是�?yàn)楣�?MOSFET �(dòng)�(tài)特性本身的�(fù)雜性,特別是當(dāng)其承載較大的電流密度�(shí),在開通和�(guān)斷瞬間,器件承受非常大的dv dt和di dt ,其�(dòng)�(tài)變化過程非常�(fù)雜,半導(dǎo)體器件物理的理論基礎(chǔ)是建立在低場(chǎng)條件下的,在高場(chǎng)條件下仍需�(jìn)一步改�(jìn)和完�。因此,�(duì)低溫功率 MOSFET �(jìn)行電路級(jí)建模和仿真探�,對(duì)深入了解低溫功率 MOSFET 工作�(jī)理和工程�(yīng)用都有非常重要的意義�
低溫功率器件的潛在應(yīng)用應(yīng)從兩方面來考慮�
1. 在必須要面對(duì)的極端溫度環(huán)境中,如航天探索和超�(dǎo)材料所必需面臨的低溫環(huán)境。在這種�(huán)境條件下,首先是要求功率變換裝置能夠�??煽康毓ぷ鳎骷白儞Q裝置性能的改善并不是�(guān)鍵因�。這類�(yīng)用的目標(biāo)是選擇能在低溫或?qū)挏貐^(qū)范圍�(nèi)正常工作的功率器�,設(shè)�(jì)出滿足環(huán)境要求的功率變換裝置�
2. 研究功率器件在低溫下性能的改�,�(jìn)一步挖掘硅基功率器件的潛力,如利用低溫下通態(tài)電阻的降低、動(dòng)�(tài)特性的改善、反向安全工作區(qū)的增加等,來�(shí)�(xiàn)極大的漏極電�、極高的開關(guān)頻率、極高的可靠性等,滿足特殊工程應(yīng)用的要求�
超導(dǎo)電工中的�(yīng)�
20 世紀(jì) 60 年代超導(dǎo)技�(shù)的發(fā)展使以前只存在于�(shí)�(yàn)室的想法變成了現(xiàn)�(shí),使用液氦作為冷卻劑,人們可以制造出幾乎完全沒有功率損耗的電氣裝置,并成功�(shè)�(jì)出了高磁�(chǎng)系統(tǒng)、超�(dǎo)交流電機(jī)和超�(dǎo)電纜�。在隨后的十年到二十年左右時(shí)間里,該�(lǐng)域的�(fā)展令人鼓�,磁感應(yīng)�(qiáng)度高�(dá) 5T(特斯拉)的高溫超導(dǎo)系統(tǒng)已由美國(guó)� Argonne�(guó)家實(shí)�(yàn)室研制成�,并在俄羅斯的莫斯科高溫研究所安裝和投入使�,超�(dǎo)直流輸電和超�(dǎo)變壓器的研究工作也已取得重大突破,將很快�(yīng)用于工程�(shí)際中�
由于超導(dǎo)材料本身需要低溫環(huán)境,可以嘗試將包括電力變流器和變壓器在內(nèi)的電力變換裝置與超導(dǎo)磁體共同置于低溫�(huán)境中,這樣不僅有利于系�(tǒng)�(jié)�(gòu)的一體化,還可以大大減少電流引線,減小與外界的熱量交換,降低制冷成本。另外由于功� MOSFET、IGBT 等功率器件的性能在低溫下都有較大改善,低溫功率器件的使用可以提高系統(tǒng)的可靠性(如失超保�(hù)�。德�(guó)慕尼黑大�(xué)已將低溫 IGBT 用于 1MJ 的超�(dǎo)�(chǔ)能系�(tǒng)(SMES)中,走在了該領(lǐng)域應(yīng)用研究的前列。隨著超�(dǎo)技�(shù)在電工領(lǐng)域的日益�(shí)用化,超�(dǎo)�(fā)電機(jī)、超�(dǎo)限流�、高溫超�(dǎo)電纜及超�(dǎo)變壓器等裝置相繼研制成功,這些都為低溫功率電子�(xué)提了廣闊的潛在應(yīng)用空��
核磁共振成像裝置中的�(yīng)�
核磁共振成像系統(tǒng)是電磁場(chǎng)技�(shù)與圖象處理技�(shù)完美�(jié)合的典范,隨著超�(dǎo)材料的發(fā)�,臨界溫度在 77K 以上的超�(dǎo)材料已日趨成�,使用低溫超�(dǎo)磁體制造核磁共振成像裝置的研究已經(jīng)展開,這類裝置具有重量�、磁�(chǎng)�(wěn)定性好、磁�(chǎng)�(qiáng)度大、成像清晰等�(yōu)�(diǎn),可廣泛用于腫瘤及心血管疾病的早期診斷,并可用于醫(yī)療監(jiān)�(cè)等�
一�(tái)核磁共振成像大約要求� 10kW 左右的電源供�(yīng),同�(shí)為取得高信噪比,需�300MHz 或更高的頻率�(yùn)�,這意味著 MRI 裝置�(duì)供電系統(tǒng)的要求非常高,考慮到儀器內(nèi)部超�(dǎo)磁體所處的低溫�(huán)境及功率器件在低溫下的高頻低功耗特性,MRI 系統(tǒng)是低溫功率變換電路最有應(yīng)用前景的�(lǐng)域之一,專注于 MRI 系統(tǒng)研究的美�(guó) MTECH �(shí)�(yàn)室已�(jīng)開始了這方面的相關(guān)研究工作�
太空探索中的�(yīng)�
近些年來,世界各主要大國(guó)都對(duì)外層空間和太�(yáng)系中其它行星的探索表�(xiàn)出了濃厚的興�,各種太空探索活�(dòng)也日益頻�,這些地方的溫度環(huán)境都極其惡劣�
航天器都帶有放射性同位素加熱單元和溫度控制系�(tǒng),維持探�(cè)�(shè)備工作在300K 左右,這些裝置�(jié)�(gòu)�(fù)雜、造價(jià)昂貴,并非是理想的解決方�。如果使用低溫功率器件就可以徹底拋棄這些裝置,減小飛行器的自身重量和體積,增加航天器的有效載�,提高整�(gè)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命,降低發(fā)射成�,這對(duì)宇宙空間探索具有非常重要意義。早� 1996 �,美�(guó)宇航局(NASA)就開始了一�(xiàng)名為“Electronic Parts and Packaging Program (NEPP)”的�(jì)�,研究常用半�(dǎo)體器件及能量�(zhuǎn)換電路在低溫下的性能,并�(shè)�(jì)出了用于粒子束推�(jìn)系統(tǒng)� 1-kW dc/dc 變換�,該變換器選� N溝道功率 MOSFET 器件,可� 89K�-184℃)~300K 范圍�(nèi)�(wěn)定工作,�(yùn)行參�(shù)為:80Vdcin /550Vdcout�77K 下器件的損耗僅有常溫下� 1/3~1/4。NASA � Lewis 研究中心還對(duì) 42/28V�175W�50KHz PWM dc/dc 變換器在 77K 下的工作狀�(tài)�(jìn)行了研究,在滿載情況下,功率器件損耗明顯減�,變換器的效率從常溫下的 95.8% 上升� 77K 下的 97% �