【摘要】：功率開(kāi)關(guān)中,晶閘管具有近乎完美的導(dǎo)通壓降,金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)具有理想的控制特性。MOS柵晶閘管(MOS-Gated Thyristors,MGT)結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn),是有望取代傳統(tǒng)晶閘管的衍生器件。然而,由于晶閘管和MOSFET抗輻照能力都較差,MOS柵晶閘管能否在輻射環(huán)境中可靠工作需要進(jìn)行進(jìn)一步的考察。本文重點(diǎn)研究了MOS柵晶閘管類(lèi)器件中的兩種器件,MOS控制晶閘管(MOS Controlled Thyristor,MCT),以及基區(qū)電阻控制晶閘管(Base Resistance Controlled Thyristor,BRT),在地球俘獲帶內(nèi)受到電離輻射時(shí)的響應(yīng)機(jī)制。首先,本文建立了從環(huán)境中獲取輻照粒子參數(shù)并導(dǎo)入TCAD(Technology Computer Aided Design)軟件仿真的方法:確定了地球俘獲帶內(nèi)的主要輻射粒子為質(zhì)子;仿真給出了其能量和通量范圍,以及不同能量的質(zhì)子進(jìn)入器件后的線(xiàn)性能量轉(zhuǎn)移值和路徑長(zhǎng)度。另外,確定了在地球俘獲帶內(nèi),器件需要主要考慮的兩種電離效應(yīng):單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)。然后,展示了MGT器件在滿(mǎn)足耐壓的情況下,提升正向?qū)娏骱图涌扉_(kāi)關(guān)速度的一般方法。設(shè)計(jì)了耐壓1400V、正向電流24kA/cm-2(@10V)、關(guān)斷時(shí)間10μs左右的MCT,以及耐壓1400V、正向電流25.6kA/cm-2(@10V)、關(guān)斷時(shí)間2μs左右的BRT,并對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)比。完成了MCT器件的版圖設(shè)計(jì)、流片和測(cè)試。最后,使用設(shè)計(jì)的MGT對(duì)質(zhì)子的電離輻射效應(yīng)進(jìn)行了研究。在單粒子效應(yīng)(Single Event Effect,SEE)研究中,確定了最容易受入射粒子影響的工作狀態(tài)為阻斷態(tài),接著詳細(xì)分析了該狀態(tài)下單粒子在器件內(nèi)部電離載流子的重分布過(guò)程及其演化原因,指出單粒子閂鎖(Single Event Latch-up,SEL)或單粒子燒毀(Single Event Burnout,SEB)是單粒子輻照引發(fā)的主要效應(yīng),從外電路應(yīng)用和器件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度提出了抑制單粒子閂鎖的方法。在總劑量效應(yīng)(Total Ionizing Dose,TID)研究中,討論了器件特性退化機(jī)理,指出了其對(duì)結(jié)終端耐壓的嚴(yán)重影響,從器件設(shè)計(jì)角度給出了加固的方法。
[Abstract]:In the power switch, the thyristor has nearly perfect on-voltage drop, and the metal-oxide semiconductor field effect transistor (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET) has ideal control characteristics. The MOS gate thyristor (MOS-Gated Thyristors,MGT) combines the advantages of both. Is expected to replace the traditional thyristor derivative devices. However, due to the poor radiation resistance of thyristors and MOSFET, the reliability of MOS gate thyristors in radiation environment needs further investigation. In this paper, the response mechanism of two kinds of MOS gate thyristors, MOS controlled thyristor (MOS Controlled Thyristor,MCT) and base resistor controlled thyristor (Base Resistance Controlled Thyristor,BRT), under ionizing radiation in the capture band of the earth is studied. First of all, the method of obtaining the parameters of irradiated particles from the environment and importing them into TCAD (Technology Computer Aided Design) software is established: the main radiation particles in the capture band of the earth are determined to be protons, and their energy and flux ranges are given by the simulation. And the linear energy transfer value and path length of protons with different energies after entering the device. In addition, two kinds of ionization effects, single particle effect and total dose effect, which need to be considered in the earth capture band are determined. Then, the general method of raising forward conduction current and speeding up switching speed of MGT device is presented. The voltage-resistant 1400V, forward current 24kA/cm-2 (@ 10V), MCT, with turn-off time of about 10 渭 s and BRT, with withstand voltage of 1400V, forward current 25.6kA/cm-2 (@ 10V) and turn-off time of about 2 渭 s were designed and compared. The layout design, flow sheet and test of MCT device are completed. Finally, the ionizing radiation effect of proton is studied by using the designed MGT. In the study of single particle effect (Single Event Effect,SEE), the working state which is most susceptible to the incident particle is determined as the blocking state. Then the redistribution process of the ionization carrier in the device and its evolution are analyzed in detail. It is pointed out that single particle latch (Single Event Latch-up,SEL) or single particle burned (Single Event Burnout,SEB) are the main effects induced by single particle irradiation. A method to suppress single particle latch is proposed from the aspects of external circuit application and device design. In the study of total dose effect (Total Ionizing Dose,TID), the degradation mechanism of the device characteristics is discussed, and the serious influence of the device on the voltage resistance of the junction terminal is pointed out. The reinforcement method is given from the point of view of the device design.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN386

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