论文摘要
由于宽带隙碳化硅材料具备高的击穿场强、大的载流子饱和速率、大的热传导率和高温工作稳定性等优点,工作在线性模式下的碳化硅光导开关,在紧凑、固态和高重频脉冲功率技术领域中日益受到重视。为了探讨碳化硅光导开关的脉冲功率技术领域的大功率应用,本文研究了碳化硅光导开关的物理机理,重点针对钒掺杂6H-Si C材料的光导开关进行半绝缘特性和导通性能的分析,得出适宜碳化硅光导开关的工作方案和设计原则。论文的主要内容为:1、理论分析了在半绝缘碳化硅材料杂质能级中,氮能级是浅施主而钒能级是深受主,它们的浓度对材料特性起的支配作用。为保持开关暗态的高阻性,钒浓度应大于氮的浓度的两倍以上。但为保证光导开关导通能力,减小导通电阻,又需要适当减少钒浓度以增加载流子寿命。2、利用半导体TCAD软件,基于漂移-扩散理论,建立了钒掺杂6H-Si C材料光导开关同面电极和正对电极结构的器件模型,验证了理论分析中钒、氮浓度对开关半绝缘特性和导通性能的影响,以及开关材料在生长中需要控制适宜的钒、氮浓度。对在532 nm激光触发下的仿真结果表明:载流子速率在强场下达到饱和,并且电流电场在主要电流区域沿着垂直于激光辐照方向均匀分布。3、根据仿真结果,化简得到碳化硅光导开关电阻的一般表达式,基于此建立了碳化硅光导开关的PSpice电路模型。利用模型分析讨论了外电路参数对该碳化硅光导开关导通过程的影响,提出在开关测试电路中,应当保证足够大的储能电容和尽量小的回路电感,并选择具备小寄生电容以及较大阻值的负载电阻。4、设计搭建了光导开关实验平台。对同面电极结构钒掺杂6H-Si C半绝缘材料的光导开关进行了暗电阻实验测试,其暗态电阻高达2.4×1011?;在偏置电压5.5 k V,532 nm波长激光脉冲能量124 m J工作条件下,重频实验结果验证了光导开关工作波形的一致性,开关抖动在百皮秒量级,实验得到的光导开关最小导通电阻为720?,光触发前后开关电阻比达到3.3×108。实验还开展了对一种正对电极结构光导开关的测试,该开关最小导通电阻的最小值为212?,并简单分析了正对电极结构开关损伤机制和图像。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 碳化硅光导开关研究背景1.1.1 光导开关应用背景1.1.2 碳化硅材料的优势1.2 碳化硅光导开关研究现状1.2.1 国内研究现状1.2.2 国外研究现状1.3 论文主要工作和意义第二章 碳化硅光导开关物理分析2.1 光导开关工作原理与结构2.1.1 光导开关基本原理2.1.2 光导开关工作模式2.1.3 光导开关基本结构2.2 SiC-PCSS的半绝缘特性2.2.1 SiC-PCSS的半绝缘特性原理2.2.2 SiC-PCSS暗态电阻率的估算2.3 SiC-PCSS的光电导方式2.3.1 V掺杂 6H-SiC材料光吸收方式2.3.2 SiC-PCSS的光吸收规律2.3.3 SiC-PCSS导通电阻的推导2.3.4 SiC-PCSS导通电阻的方程化简2.4 本章小结第三章 碳化硅光导开关设计与仿真3.1 正对电极结构SiC-PCSS结构设计3.1.1 开关形貌和闪络击穿分析3.1.2 晶片横向尺寸设计3.1.3 正对电极结构设计3.1.4 绝缘材料封装设计3.2 SiC-PCSS半导体模型及模拟研究3.2.1 正对电极结构SiC-PCSS模拟3.2.2 同面电极结构SiC-PCSS模拟3.3 SiC-PCSS的PSpice模型及测试电路分析3.3.1 SiC-PCSS电阻模型的建立3.3.2 SiC-PCSS电阻模型的验证3.3.3 SiC-PCSS电路模型在开关测试电路中的应用3.4 本章小结第四章 钒掺杂碳化硅光导开关实验研究4.1 实验准备4.1.1 实验测试平台简介4.1.2 脉冲光源和实验光路4.1.3 测试电路的搭建4.2 同面电极开关实验结果4.2.1 开关形貌和暗电阻测量4.2.2 532 nm激光光电导实验4.2.3 激光触发位置实验研究4.2.4 实验结果的初步讨论4.3 正对电极开关初步试验研究4.3.1 开关形貌和暗电阻测量4.3.2 532 nm激光光电导实验4.3.3 开关损坏机制初步分析4.4 本章小结第五章 总结与展望5.1 主要工作和结果5.1.1 论文的理论仿真分析5.1.2 钒掺杂的 6H-SiC光导开关的实验结果和讨论5.1.3 大功率钒掺杂的 6H-SiC光导开关的设计思路5.2 工作展望5.2.1 碳化硅光导开关的研究展望5.2.2 碳化硅电子器件的发展展望致谢参考文献作者在学期间取得的学术成果
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