Проблемы определения характеристик полупроводников с широкой запрещенной зоной

Полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG) считаются будущим силовой электроники. Но проблемы с тестированием и моделированием их характеристик замедляют широкое распространение.

По данным Keysight Technologies, при использовании в силовых электронных устройствах полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), обеспечивают более высокие рабочие температуры, напряжения и частоты. По сравнению со своими кремниевыми аналогами они также обеспечивают меньшие потери мощности из-за низкого сопротивления в открытом состоянии.

Даже с этими очевидными преимуществами WBG сложно охарактеризовать, особенно когда дизайнеры:

Измерение токов более 100 А

Измерение напряжений более 3000 В

Измерение сопротивления в открытом состоянии субмиллиомом

Также может быть сложно охарактеризовать WBG с помощью количественного измерения коллапса тока GaN и измерения емкости перехода при тысячах вольт постоянного смещения.

Ловушка неправильной характеристики ГВБ: электромагнитные помехи и колебания

Мы знаем, что WBG обычно более производительны, чем традиционные кремниевые, так зачем ждать, чтобы использовать эти устройства широко?

Возможность характеризовать эти устройства имеет решающее значение для функциональности и надежности конструкции. В недавней статье EE Power о моделировании силовых цепей WBG объясняется, что эти устройства могут работать на более высоких частотах. Но даже когда они не используются на этих более высоких частотах, они могут вызывать некоторые катастрофические электромагнитные помехи (EMI), которые могут убить всю систему.

Единственный способ смягчить это должным образом - понять параметры устройства и разработать проблемы с электромагнитными помехами вне схемы. В статье говорится, что WBG особенно чувствительны к вредным электромагнитным помехам из-за их более высокой скорости, что может вызвать «ложное включение полевых транзисторов (FET)».

Кроме того, участник EE Power Рио Такеда заявляет, что паразитные емкости и индуктивности в устройстве могут вызывать колебания, если устройство неправильно настроено и используется. Это можно спланировать, если известны значения этих паразитов. Некоторые паразитные модели могут гарантировать, что устройство подключено к цепи, которая не будет переводить его в колебательное состояние.

Моделирование и модели для устройств WBG

Инженеры начали искать способы получения точных симуляций и моделей для устройств WBG. Power Magazine описывает несколько тестов для получения характеристических значений устройств WBG.

Характеристики в открытом состоянии

Одним из таких тестов является тест определения характеристик в открытом состоянии, который имеет два блока измерения источника (SMU): один измеряет ток, проходящий через устройство WBG, а другой переводит это устройство во включенное состояние.

Если бы устройство было полевым МОП-транзистором, это можно было бы сделать, подключив первый SMU к стоку или истоку для измерения тока, в то время как второй SMU подключен к затвору, приложив напряжение смещения, которое гарантирует, что он находится во включенном состоянии. Этот тест измеряет сопротивление в открытом состоянии, которое должно быть минимальным.

Характеристики вне состояния

Тот же тест может характеризовать выключенное состояние устройства, за исключением того, что второй SMU прикладывает напряжение смещения, которое переводит устройство в выключенное состояние. В качестве альтернативы второй блок можно полностью исключить, потому что вход можно оставить плавающим или замкнуть на землю и во многих случаях выключить. Этот тест подтверждает величину утечки, которая является неотъемлемой частью потери устройства.

Математическое моделирование

Такеда объясняет, что дизайнеры могут также использовать математические уравнения, основанные на экспериментальных результатах, для создания модели преобразователя постоянного тока, сделанного из WBG. Это очень эффективный инструмент, в то время как исследователи продолжают углубляться в физику устройств WBG.

Это дает инженерам-разработчикам хорошее представление о том, как реализовать свои проекты на основе параметров, полученных в результате экспериментов и испытаний, вместо моделирования устройства на основе его физики. Математический подход позволяет инженерам разрабатывать точные ВАХ, а также S-параметры во включенном и выключенном состоянии для устройств WBG.

Гонка за характеристиками ГВБ

Вполне вероятно, что ГВБ захватят мир силовой электроники. График того, насколько быстро будут приняты WBG, зависит от нашей способности точно охарактеризовать эти устройства, прежде чем сделать их неотъемлемой частью будущих проектов.

Университеты и производители полупроводников активно вкладывают средства в исследования в понимание физики ГВБ, чтобы ускорить их внедрение в отрасли. Тем временем инженеры могут продолжать заполнять пробелы в знаниях о ГВБ, используя математическое моделирование и другие методы определения характеристик.