[发明专利]一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法

摘要

一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，涉及功率半导体和电力电子技术领域。根据不同温度情况下的转移特性曲线，拟合饱和电流随温度变化的表达式，求出饱和电流随温度变化曲线的最大值；建立碳化硅MOSFET芯片的一维热传导模型，用有限差分法解一维热传导方程，可以计算一维系统的温度分布；将数据加入到一维热传导模型，获得结温随时间变化的曲线；找到临界结温所对应的短路时间，即为短路承受时间。本发明的技术方案可以在不破坏器件的情况下，直接通过检测联合简单的计算即可得到近似的短路承受时间。

主权项

一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，其特征在于，包括如下步骤：1)、根据不同温度情况下的转移特性曲线，拟合饱和电流随温度变化的表达式，求出饱和电流随温度变化曲线的最大值；用TEK371A晶体管测试仪和温箱测量碳化硅MOSFET器件在不同温度下的转移特性曲线，根据饱和电流与栅源极电压的平方率关系：Ia=Id,sat=Zμni(T)Cox2LCH(Vgs-Vth(T))2---(1)]]>式(1)中：Z：沟道宽度                  μni(T)：反型层内的电子迁移率Cox：氧化层的特征电容         LCH：沟道长度Vth(T)：阈值电压              Vgs：栅源极电压对实验数据进行拟合，得到函数Id＝f(Vgs，T)；确定了栅源极电压，在MATLAB中画出函数Id＝f(T)的曲线，就可以找到电流Id的最大值Id，max；2)、建立碳化硅MOSFET芯片的‑维热传导模型；在MATLAB中，用有限差分法解‑维热传导方程，可以计算一维系统的温度分布：∂∂x(k(T)·∂T∂x)+Q(x,t)=ρ·c(T)·∂T∂t---(2)]]>式(2)中：k(T)：热传导率，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热传导率随温度的变化；λ(T)＝(‑0.0003+1.05×10‑5T)‑1W/mK；c(T)：热容，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热容随温度的变化；c(T)＝925.65+0.3772T‑7.9259×10‑5T2‑3.1946×107/T2(J/kgK)；ρ：SiC材料的密度；Q(x，t)：发热率；Q(x，t)＝E(x，t)J(t)＝E(x，t)I(t)/A   (3)式(3)中：J(t)：电流密度；I(t)：短路电流，以饱和电流随温度变化曲线的最大值Id，max计；A：芯片的有效面积，可以通过解剖带封装的器件或直接解剖裸片，再用显微镜观察得到；E(x，t)：电场强度，假设电场强度分布不受短路过程中载流子流动的影响；E(x)=-qNDksϵ0(xn+xj-x),xj≤x≤xj+xn---(4)]]>式(4)中：xn=[2ksϵ0qND·Vds]12]]>ε0是真空介电常数，其值是8.85×10‑14F/cm；ks是半导体的介电常数，4H‑SiC的介电常数是9.6；q是单位电荷量，q＝1.6×10‑19C；碳化硅：ND＝1×1016cm‑3；硅：ND＝1×1014cm‑3；xj：通过解剖芯片得到；Vds：根据要求输入；求解式(2)的边界条件：碳化硅下边界处温度恒定，为室温；碳化硅上边界没有热传导；3)、将数据加入到‑维热传导模型，获得结温随时间变化的曲线；先将饱和电流最大值、电场强度E(x，t)带入式(3)，得到发热率Q(x，t)；然后结合发热率Q(x，t)计算‑维系统的温度分布，从而得到芯片内的随时间变化的温度分布，提取出结温随时间变化的曲线；4)、找到临界结温所对应的短路时间，即为短路承受时间；在结温随时间变化的曲线中找到临界结温所对应的短路时间，这个短路时间就是所需预估出的短路承受时间。