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1200V4H-SiC结势垒肖特基二极管优化设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 碳化硅材料的特点

1.2 结势垒肖特基二极管的发展和应用

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容与设计指标

第二章 碳化硅结势垒肖特基二极管设计原理

2.1 正向导通特性

2.2 反向特性

2.3 结电容特性

2.4 温度特性

2.5 本章小结

第三章 1200V碳化硅结势垒肖特基二极管优化设计

3.1 元胞结构优化设计

3.2 终端结构优化设计

3.3 1200V碳化硅结势垒肖特基二极管的整体结构

3.4 本章小结

第四章 1200V碳化硅结势垒肖特基二极管的极限特性研究

4.1 反向峰值电压的研究

4.2 正向峰值电流的研究

4.3 本章小结

第五章 1200V碳化硅结势垒肖特基二极管流片及测试分析

5.1 工艺流程

5.2 版图设计

5.3 直流参数测试结果

5.4 动态参数测试结果

5.5 极限参数测试结果

5.6 1200V碳化硅结势垒肖特基二极管的测试结果小结

5.7 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得成果

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摘要

碳化硅(SiC)是近年迅速发展起来的第三代半导体材料的代表,与传统半导体材料硅(Si)相比,其在击穿电场强度、载流子漂移速度及热导率等方面具有明显的优势。碳化硅结势垒肖特基二极管(SiC-JBS)结合了PiN和肖特基二极管的优势,具有小开启电压、高击穿电压和高开关速度等特性,在高压、高速功率系统等领域具有广阔的应用前景。然而,目前国内关于1000V以上耐压水平的SiC-JBS研究较少,尤其是关于其极限参数的研究更是鲜有报道。
  本文旨在设计具有1200V击穿电压和8A正向电流能力的SiC-JBS。首先,研究了1200V SiC-JBS的常规特性(包括正、反向特性及温度特性等),仿真分析了其参数对器件正向导通特性、反向耐压特性以及高低温反向恢复特性的影响,从而得出器件元胞的最佳结构参数(包括阳极P+间隔结构、漂移区以及阴极缓冲层等);在此基础上,详细分析了终端技术对器件耐压的影响,包括结终端扩展技术、场板技术和场限环技术等,研究发现利用上述三种终端结构结合的方案可以明显提高器件的击穿电压,由此确定了终端结构;此外,在SiC-JBS常规电学特性研究的基础上,本文还探究了其反向峰值电压和正向峰值电流两个极限电学特性;最后,基于上述理论研究和仿真设计,确定了全套的1200V/8A SiC-JBS器件参数。
  本文设计的1200V/8A SiC-JBS器件在55所进行了流片,测试结果表明该器件的击穿电压为1400V,正向压降为1.8V(IF=10A),反向恢复时间为23ns(IF=5A,di/dt=200A/μs,T=25℃),反向峰值电压VRRM>1800V,正向峰值电流IFSM>12A,达到了器件预期设计的指标。

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