低溫MOSFET

低溫( 77K) MOSFET 參數提取工作主要是配合紅外讀出電路的設計而展開的，紅外探測器工作在低溫( 77K) 環境下，與之相耦合的矽讀出電路也要工作在相同的低溫( 77K) 環境下。

基本介紹

• 中文名：低溫MOSFET
• 外文名：LowTemperature MOSFET

1概述

低溫( 77K) MOSFET 參數提取工作主要是配合紅外讀出電路的設計而展開的，紅外探測器工作在低溫( 77K) 環境下，與之相耦合的矽讀出電路也要工作在相同的低溫( 77K) 環境下。晶元代工廠只提供常溫下的MOSFET 模型及參數，不可能完全吻合低溫( 77K) 下器件的真實工作特性。器件模型作為工藝與設計之間的接口，用於大規模積體電路的設計和仿真。

低溫功率電子學的起源

功率電子學是指把電能從一種形式轉換成另外一種形式的科學，該研究的最初目的是要通過交流電力系統為有軌電車提供穩定的直流電源。針對這方面的工程套用，技術人員研究並發展了許多相關技術，包括各種可實現的拓撲結構和控制方式等，在第一次世界大戰前，主要是使用汞弧（或水銀弧）整流器來實現電力的轉換。直到 20 世紀 60 年代，可控矽器件出現，使得功率電子學開始真正成為一門獨立的學科，並受到越來越多的關注。

功率電子學與低溫工程（77K~-50℃稱為低溫）的結合最初來源於美國戰略防禦委員會（SDIO，後改名為彈道飛彈防禦委員會）在 70 年代初提出的一項工程，為了給陸基雷射武器提供能量，要使用龐大的磁體來儲存能量，這需要通過轉換裝置給磁體充滿能量，在使用雷射武器的時候，再通過轉換裝置把能量瞬間輸出，這要求該雙向轉換系統既能儲存很高的能量，又要有較小的體積。超導技術的發展使這一想法變成了可能，超導磁體由於體積小、損耗低等優點很好地滿足了工程要求。由於超導磁體處於低溫環境中，很自然的想法就是能否把能量轉換裝置也放在低溫環境中，實現整體裝置結構上的簡潔，為實現這一目標，就需要考慮什麼樣的功率器件適合在低溫環境中工作，能量轉換裝置在低溫下的工作性能如何等，這就是推動低溫功率電子學研究的最初動力，後來同樣的需求在空間站武器系統研究中再次被提出。

低溫功率轉換裝置的工作狀態與功率器件在低溫下的性能密不可分，大量實驗結果發現，多子導電的功率 MOSFET 器件可以穩定工作在 20K~300K 溫度範圍內，在低溫下有很好的套用前景。遺憾的是，由於種種原因，在使用普通功率 MOSFET 器件實現了一台幾 KW 的低溫能量轉換裝置後，該研究就因為各種原因被無限期擱置。儘管如此，該工程卻開創了一個全新的研究領域：低溫功率電子學。

常用功率器件的低溫性能

大量實驗結果發現，低溫下功率器件的許多性能得到顯著改善：

1．載流子遷移率增大，使得多子導電類功率器件（如功率 MOSFET）的正嚮導通壓降和損耗顯著降低，77K 與 300K 相比可提高一個數量級左右。

2．少子導電類功率器件（如 IGBT）的正嚮導通電壓也大幅度降低，特別是在較高電流密度條件下，正嚮導通電壓的減低更加明顯。

3．金屬-半導體和 p-n 結的漏電流在 77K 下將有超過一個數量級的降低，這使得肖特基勢壘二極體和雙極型器件的漏電流大大減小。

4．由於功率器件絕大部分失效機理（如雪崩擊穿，熱擊穿，極間擴散等）的溫度激化分量都隨溫度降低呈指數規律減小，低溫下器件的可靠性大大提高。

5．對於 MOS 柵極結構器件，矽功率器件內部產生的隨機噪聲可能會改變導電率，嚴重時甚至會使柵極層反型，這將會給轉換裝置帶來災難性的後果，低溫下可以有效地避免這個問題，降低器件內部的熱噪聲。

6．對於同樣大小的熱容，在相同的溫差條件下，77K 下器件可承載比 300K 高一個數量級左右的電流密度，這使得 77K 下器件的封裝尺寸、重量設計等要求更為寬鬆。 從上面可以看出，低溫功率器件有著常溫下不可比擬的優良性能，相對於其它功率器件而言，功率 MOSFET 的多子導電特性使它更適合於低溫套用，同時其高開關頻率和低損耗也意味著它將會在中小功率低溫變換電路中占據重要的地位，功率 MOSFET 已經成為低溫功率電子學研究的一個熱點。

2功率 MOSFET 低溫動態特性研究的意義

在功率 MOSFET 的諸多特性中，動態特性是非常重要的一個方面，由於功率 MOSFET常被用來實現高速的開通和關斷，器件絕大部分失效機理都發生在動態變化過程中，動態特性體現了功率MOSFET的精髓。只有弄清楚動態變化過程中器件內部的變化規律，才能夠真正了解低溫功率 MOSFET 的工作機理，更好的使用低溫功率 MOSFET 器件。另一方面，隨著矽基功率器件的製造水平越來越高，器件的性能指標也在不斷提高，同時新的問題也開始引起人們的重視：矽基功率器件的性能指標正越來越接近矽材料的極限值，如開關速度、擊穿電壓、導通壓降等，器件性能進一步提高的難度越來越大。

為了解決這一問題，研究人員進行了大量的研究工作，如改進器件結構、採用新材料（如SiC）來代替矽等。隨著低溫功率電子學研究的深入，越來越多的研究人員開始意識到，低溫環境將很有可能是矽基功率器件性能取得突破的一個重要方向。 為了弄清楚低溫功率 MOSFET 的工作機理，更好地為低溫功率變換電路的設計和套用提供參考，有必要進行低溫功率 MOSFET 的電路級建模和仿真研究。研究發現，功率MOSFET 建模和仿真研究的難度很大，這主要是因為功率 MOSFET 動態特性本身的複雜性，特別是當其承載較大的電流密度時，在開通和關斷瞬間，器件承受非常大的dv dt和di dt ，其動態變化過程非常複雜，半導體器件物理的理論基礎是建立在低場條件下的，在高場條件下仍需進一步改進和完善。因此，對低溫功率 MOSFET 進行電路級建模和仿真探索，對深入了解低溫功率 MOSFET 工作機理和工程套用都有非常重要的意義。

3潛在的套用領域

低溫功率器件的潛在套用應從兩方面來考慮：

1. 在必須要面對的極端溫度環境中，如航天探索和超導材料所必需面臨的低溫環境。在這種環境條件下，首先是要求功率變換裝置能夠正常可靠地工作，器件及變換裝置性能的改善並不是關鍵因素。這類套用的目標是選擇能在低溫或寬溫區範圍內正常工作的功率器件，設計出滿足環境要求的功率變換裝置。

2. 研究功率器件在低溫下性能的改善，進一步挖掘矽基功率器件的潛力，如利用低溫下通態電阻的降低、動態特性的改善、反向安全工作區的增加等，來實現極大的漏極電流、極高的開關頻率、極高的可靠性等，滿足特殊工程套用的要求。

超導電工中的套用

20 世紀 60 年代超導技術的發展使以前只存在於實驗室的想法變成了現實，使用液氦作為冷卻劑，人們可以製造出幾乎完全沒有功率損耗的電氣裝置，並成功設計出了高磁場系統、超導交流電機和超導電纜等。在隨後的十年到二十年左右時間裡，該領域的發展令人鼓舞，磁感應強度高達 5T（特斯拉）的高溫超導系統已由美國的 Argonne國家實驗室研製成功，並在俄羅斯的莫斯科高溫研究所安裝和投入使用，超導直流輸電和超導變壓器的研究工作也已取得重大突破，將很快套用於工程實際中。

由於超導材料本身需要低溫環境，可以嘗試將包括電力變流器和變壓器在內的電力變換裝置與超導磁體共同置於低溫環境中，這樣不僅有利於系統結構的一體化，還可以大大減少電流引線，減小與外界的熱量交換，降低製冷成本。另外由於功率 MOSFET、IGBT 等功率器件的性能在低溫下都有較大改善，低溫功率器件的使用可以提高系統的可靠性（如失超保護）。德國慕尼黑大學已將低溫 IGBT 用於 1MJ 的超導儲能系統（SMES）中，走在了該領域套用研究的前列。隨著超導技術在電工領域的日益實用化，超導發電機、超導限流器、高溫超導電纜及超導變壓器等裝置相繼研製成功，這些都為低溫功率電子學提了廣闊的潛在套用空間。

核磁共振成像裝置中的套用

核磁共振成像系統是電磁場技術與圖象處理技術完美結合的典範，隨著超導材料的發展，臨界溫度在 77K 以上的超導材料已日趨成熟，使用低溫超導磁體製造核磁共振成像裝置的研究已經展開，這類裝置具有重量輕、磁場穩定性好、磁場強度大、成像清晰等優點，可廣泛用於腫瘤及心血管疾病的早期診斷，並可用於醫療監測等。

一台核磁共振成像大約要求有 10kW 左右的電源供應，同時為取得高信噪比，需以300MHz 或更高的頻率運行，這意味著 MRI 裝置對供電系統的要求非常高，考慮到儀器內部超導磁體所處的低溫環境及功率器件在低溫下的高頻低功耗特性，MRI 系統是低溫功率變換電路最有套用前景的領域之一，專注於 MRI 系統研究的美國 MTECH 實驗室已經開始了這方面的相關研究工作。

太空探索中的套用

近些年來，世界各主要大國都對外層空間和太陽系中其它行星的探索表現出了濃厚的興趣，各種太空探索活動也日益頻繁，這些地方的溫度環境都極其惡劣。

太空飛行器都帶有放射性同位素加熱單元和溫度控制系統，維持探測設備工作在300K 左右，這些裝置結構複雜、造價昂貴，並非是理想的解決方案。如果使用低溫功率器件就可以徹底拋棄這些裝置，減小飛行器的自身重量和體積，增加太空飛行器的有效載荷，提高整個系統的可靠性和使用壽命，降低發射成本，這對宇宙空間探索具有非常重要意義。早在 1996 年，美國宇航局（NASA）就開始了一項名為“Electronic Parts and Packaging Program (NEPP)”的計畫，研究常用半導體器件及能量轉換電路在低溫下的性能，並設計出了用於粒子束推進系統的 1-kW dc/dc 變換器，該變換器選用 N溝道功率 MOSFET 器件，可在 89K（-184℃）~300K 範圍內穩定工作，運行參數為：80Vdcin /550Vdcout，77K 下器件的損耗僅有常溫下的 1/3~1/4。NASA 的 Lewis 研究中心還對 42/28V、175W、50KHz PWM dc/dc 變換器在 77K 下的工作狀態進行了研究，在滿載情況下，功率器件損耗明顯減小，變換器的效率從常溫下的 95.8% 上升到 77K 下的 97% 。

4 功率 MOSFET 低溫動態特性研究現狀

低溫功率 MOSFET 的研究從 1989 年左右開始，O.Mueller 在 1989 年 10 月份發表的研究低溫功率 MOSFET 通態電阻隨溫度變化規律的文章，被認為是該領域的開山之作。在隨後的 16 年時間裡，研究人員對低溫下功率器件的靜態特性，如導通壓降、擊穿電壓、閾值電壓等隨溫度的變化規律進行了大量的實驗研究。

到目前為止，對功率 MOSFET 低溫動態特性的研究很少，僅有很少的初步實驗結果及分析，如低溫與常溫下開關波形的比較，開關波形隨著溫度的降低而改善，器件不但能在更高頻率下實現有效的開通和關斷，輸出電流幅值也有所提高。但作者只對實驗結果進行了定性分析，推測開關波形的改善可能是由於低溫下功率器件極間電容減小而引起的。 在低溫功率器件研究領域，中科院電工所率先在國內開展了這方面的研究工作，並取得了一些重要的研究成果。從 2004 年開始，我們分別對功率 MOSFET 和 IGBT的低溫特性進行了系統測試，得到了 77K~300K 範圍內功率 MOSFET 和 IGBT 的通態壓降、閾值電壓、輸出特性、轉移特性等參數隨溫度的變化規律，獲得了大量詳實的實驗數據，並發表了一系列文章，開創了國內低溫功率電子學研究的新局面，受到了廣泛關注。

在研究過程中，由於實驗條件所限，也存在一些需要解決的問題，從實驗結果來說，低溫下器件穩態特性的測試結果比較準確，可以較好地反映器件的擊穿電壓、通態電阻、閾值電壓、跨導參數等隨溫度的變化規律。而在低溫動態特性方面，由於當時沒有能夠找到可以在 77K~300K 範圍內穩定工作的柵極驅動晶片，不得不使用較長的引線把驅動信號從常溫引到低溫下，這使得驅動迴路雜散電感過大，嚴重影響了動態特性測試結果的準確性。另外由於對功率器件低溫動態特性測試規範不太了解，實驗中採取的動態特性方法和電路參數也不太合適，如文]中所述：“低溫下開關特性的測試中，驅動電路的占空比為 20%，脈寬為 40 μs，開關頻率為 5KHZ，電壓為 0-15伏。根據不同的功率 MOSFET 加了相應的 RC 吸收迴路。”