Diplomová práce

Českévysokéučení technickév Praze

F3 Fakulta elektrotechnickáKatedra mikroelektroniky

Radiační odolnost výkonovýchsoučástek na bázi SiC

Stanislav Popelka

Květen 2013Vedoucí práce: prof. Ing. Pavel Hazdra, CSc

Poděkování / ProhlášeníRád bych poděkoval prof. Ing. Pavlu

Hazdrovi, CSc. za pomoc při identifikacivlivu ozáření na studované struktury aza cenné rady při psaní této závěrečnépráce. Dále bych rád poděkoval Ing. Ví-tu Záhlavovi, CSc. za pomoc při návrhudesek plošných spojů k navržené meto-dě měření. Také bych rád poděkoval Ing.Jánu Milčákovi a Ing. Michalu Košťálo-vi z CV Řež s.r.o. za pomoc při návr-hu experimentu a následné konzultaci.Na závěr bych rád poděkoval MichaeleSlováčkové za jazykovou korekturu tétopráce a Markovi Popelkovi, že je to natolik hodný kojenec, že tato práce vůbecmohla vzniknout.

Prohlašuji, že jsem předloženoupráci vypracoval samostatně a že jsemuvedl veškeré použité informační zdrojev souladu s Metodickým pokynem o do-držování etických principů při přípravěvysokoškolských závěrečných prací.

V Praze dne 9. 5. 2013

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

Abstrakt / AbstractTato práce se zabývá studiem vlivu

neutronového záření na MPS Schottkydiody na bázi karbidu křemíku. V rámcipráce byla navržena a realizováná meto-da pro dynamické měření statických zá-věrných charakteristik výkonových sou-částek a identifikován vliv neutronů nastudovanou strukturu. Na závěr byl na-vržen a implementován SPICE model smožností simulovat činnost součástky vprostředí se zvýšenou radiací.

This thesis deals with an effect ofneutron irradiation on MPS Schottkydiodes based on silicon carbide. Amethod for dynamic characterization ofstatic reverse characteristics of powerdevices was designed and realized. Animpact of neutrons irradiation on thediode was also identified and a SPICEmodel was implemented to simulatean activity of the components in anenvironment with increased radiation.

iv

Obsah /1 Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.1 Historie a přehled . . . . . . . . . . . . . . . .11.2 Fyzikální vlastnosti SiC . . . . . . . . .2

1.2.1 Mechanické a chemickévlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.2.2 Elektrické vlastnosti . . . . . . .21.2.3 Tepelné vlastnosti. . . . . . . . . .21.2.4 Shrnutí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.3 Vliv ozáření na polovodiče . . . . . .31.3.1 Druhy radiačního po-

škození. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.3.2 Krystalové poruchy . . . . . . . .31.3.3 Ionizace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1.4 Neutronové záření a jeho vlivna SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2 Součástky na bázi SiC . . . . . . . . . . . . .62.1 PIN dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.2 SBD dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.3 MPS dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72.4 MOSFET tranzistor . . . . . . . . . . . . .82.5 J-FET tranzistor . . . . . . . . . . . . . . . . .8

3 Popis a návrh experimentu . . . . . . 103.1 Postup při ozařování . . . . . . . . . . . 103.2 Popis ozařované struktury . . . . . 12

4 Dynamické měření závěrnýchcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.1 Princip metody . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1.1 Korekce naměřených

dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.2 Realizace metody . . . . . . . . . . . . . . 14

4.2.1 Obvodová realizace . . . . . . 154.2.2 Programová obsluha

metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.2.3 Nastavení měřících pří-

strojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.2.4 MATLAB skript . . . . . . . . . 18

4.3 Kalibrace metody . . . . . . . . . . . . . . 194.4 Srovnání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.5 Výhody a nevýhody navrže-

né metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Vliv neutronů na ozařovanou

strukturu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.1 Propustná charakteristika . . . . . 23

5.1.1 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.2 Závěrná charakteristika . . . . . . . . 29

5.2.1 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6 SPICE model MPS diody . . . . . . . 326.1 Popis modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.1.1 Propustná charakteris-tika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.1.2 Závěrná charakteristika. . 336.1.3 Teplotní závislost . . . . . . . . 346.1.4 Úprava modelu . . . . . . . . . . . 346.1.5 Vliv neutronového zá-

ření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.2 Implementace a kalibrace

modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.3 Simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7 Závěr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

A Zadání práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45B Katalogový list C2D05120A . . . . . 47C Deska plošného spoje . . . . . . . . . . . . 51D Obsah přiloženého CD . . . . . . . . . . . 53

v

Tabulky / Obrázky1.1. Porovnání Si vs. SiC . . . . . . . . . . . . .31.2. Rozdělení neutronů . . . . . . . . . . . . . .53.1. Rozdělení diod do jed-

notlivých skupin. . . . . . . . . . . . . . . . 103.2. Obdržené dávky neutronů . . . . . 115.1. Odečtené parametry diod . . . . . . 245.2. Emisní koeficient a

rychlost nárůstu . . . . . . . . . . . . . . . . 265.3. Relativní změna vodi-

vosti diod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.4. Absolutní změna vodi-

vosti diod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.5. Vodivost a koeficient

degradace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.6. Odečtené koncentrace . . . . . . . . . . 285.7. Koncentrace a rychlost

degradace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.8. Průrazná napětí . . . . . . . . . . . . . . . . 316.1. Parametry modelu . . . . . . . . . . . . . 36

2.1. Struktura PIN diody . . . . . . . . . . . . .62.2. Struktura SBD diody . . . . . . . . . . . .72.3. Struktura MPS diody . . . . . . . . . . . .72.4. Struktura VDMOS a

TrenchMOS tranzistoru . . . . . . . . . .82.5. Struktura normally-on

J-FET tranzistoru. . . . . . . . . . . . . . . .82.6. Zapojení norm.-on J-

FET jako norm.-off . . . . . . . . . . . . . .93.1. Řez reaktoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2. Spektrum neutronů . . . . . . . . . . . . 113.3. Spektrum fotonů . . . . . . . . . . . . . . . 124.1. Model diody při závěrné

polarizaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2. Blokové zapojení měřící

metody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.3. Obvodová realizace metody . . . . 154.4. Vývojový diagram ob-

služného programu . . . . . . . . . . . . . 164.5. Porovnání výsledků mě-

ření pomocí analyzáto-ru a navržené metody . . . . . . . . . . 20

4.6. Porovnání statického adynamické měření . . . . . . . . . . . . . . 20

4.7. Vypočtená závislost ba-riérové kapacity . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.8. Porovnání měření prorůzné rychlosti. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.1. Náhradní obvod MPS diody . . . 235.2. Propustné charakteris-

tiky v oblasti nízké in-jekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.3. Propustné charakteris-tiky v oblasti vysokéinjekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.4. Nárůst emisního koefi-cientu v závislosti naobdržené dávce . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.5. Pokles vodivosti v zá-vislosti na obdrženédávce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.6. Koncentrační profily vzávislosti na obdržené dávce . . . 27

5.7. Pokles koncentrace vzávislosti na obdržené dávce . . . 28

vi

5.8. Porovnání rychlosti de-grade vodivosti vs. kon-centrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.9. Porovnání závěrnýchcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.10. Porovnání průrazných napětí . . 306.1. Příklad propustné cha-

rakteristiky modelu diody . . . . . 326.2. SPICE model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.3. Simulace - porovnání

propustné charakteristiky . . . . . . 386.4. Simulace - porovnání

závěrné charakteristiky . . . . . . . . 396.5. Simulace - ukázka pro-

pustných charakteristikpro různé dávky . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.6. Schéma zapojení usměrňovače . 406.7. Výkonová ztráta na diodě. . . . . . 406.8. Úbytky napětí na diodě . . . . . . . . 416.9. Úbytky napětí na

diodě-detail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

vii

Kapitola 1Úvod

Součástky na bázi SiC mají pro své specifické vlastnosti, které v mnoha směrech značněpřekonávají součástky založené na Si, potenciál k využití v aplikacích tam, kde Si sou-částky jsou již za hranicí svých možností. Chceme-li tento potenciál využít, je třebaznát veškeré jejich vlastnosti a jednou z důležitých vlastností je i radiační odolnost.

Tato práce navazuje na řešení grantu Centra výzkumu Řež „Kapacita za nápady“,v rámci kterého bylo provedeno samotné ozařování vzorků rychlými neutrony, dále nařešení grantu GACR P102/12/2108 - Poruchy v širokopásových polovodičích a jejich vý-znam pro výkonovou a vysokoteplotní elektroniku a grantu SGS11/156/OHK3/3T/13 -Rozvoj inteligentních součástek a systémů v oblasti mikroelektroniky, nanoelektronikya optoelektroniky (RISMiNO).

Práce je rozdělena do několika kapitol. Úvodní kapitola je zaměřena na popis sa-motného karbidu křemíku a jeho fyzikálních vlastností v porovnání s křemíkem a vlivradiačního záření na polovodiče. V další kapitole je popsán návrh a realizace metodypro dynamické měření statických závěrných charakteristik výkonových součástek. Dálese práce zabývá popisem a studiem vlivu neutronového záření na elektrické parame-try součástek a v závěru práce je navržen SPICE model SiC MPS Schottky diody smožností simulace vlivu neutronového záření.

1.1 Historie a přehledKarbid křemíku (SiC) je sloučenina křemíku a uhlíku. Označuje se také jako Karborun-dum. Jeho průmyslová produkce začala již v roce 1893 a první jeho využití bylo díkytvrdosti výroba řezacích kotoučů a jiných dělících nástrojů. Díky jeho další vlastnostiodolávat vysoké teplotě se používá k výrobě žáruvzdorných krytů a brzdových kotoučů.Další využití má v astronomii k výrobě zrcadel do teleskopů, ke které se hodí díky nízkétepelné roztažnosti.

V elektrotechnickém průmyslu byl SiC v historii používán k výrobě žlutých a modrýchLED diod. V současné době vyrábí např. společnost Cree LED diody z SiC v kombinacis InGaN, kde SiC tvoří základní substrát.

Dále jsou k dispozici SiC Schottky (SBD) diody od výrobců Infineon, Cree, Rohm,kde např. Infineon nabízí diody s blokovacím napětím 600V/16A, 650V/40A a1200V/30A a v nedávné době byla uvedena dioda 1700V/25A od společnosti Cree.

Další nabízenou součástkou jsou tranzistory J-FET. Např. od společnost Semisouth,která již v tuto dobu neexistuje, je k dispozici tzv. normally-off J-FET (1700V/4A),který se vyznačuje tím, že je bez přivedeného napětí na řídící elektrodě vypnutý. Dálespolečnost Infineon nabízí J-FET 1200V což je klasický normally-on tranzistor ze kte-rého lze pomocí technologie „Direct Drive“ vytvořit normally-off.

Další součástkou, která byla uvedena v roce 2011 jsou SiC MOSFET tranzistory1200V/35A od společnosti Rohm a Cree.

K dispozici jsou dále výkonové moduly obsahující MOSFET tranzistory a SBD diodys možnostmi až 1200V/180A od společností Rohm a Cree. Společnost Fairchild Semi-conductor nabízí i výkonové SiC bipolární tranzistory (BJT) na napětí až 1200V. Také

1

1. Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .jsou k dispozici výkonové SiC tyristory na napětí až 6,5kV/80A od společnosti GeneSiCSemiconductor.

1.2 Fyzikální vlastnosti SiCKarbid křemíku existuje v různých krystalických formách. Hlavními polytypy jsou: 3C-SiC, 4H-SiC a 6H-SiC.

K značení je použita tzv. Ramsdellova notace, kde číslo určuje počet vrstev, kterétvoří jednu opakovací sekvenci a písmeno určuje typ krystalické mřížky (C) - kubická,(H) - hexagonální a (R) - romboedrická. [1]

1.2.1 Mechanické a chemické vlastnostiSiC je materiál velmi tvrdý (9 na Mohsově stupnici). Yangův modul pružnosti SiC je424GPa. Je chemicky inertní a slabě reakční s jakýmikoliv materiály za pokojové teploty.Difúze je tedy prakticky nemožná. Dotace je třeba provést např. iontovou implantacínebo při epitaxi.

Možné příměsi pro n-typ: N, P, Ti, Cr a pro p-typ: Al, B, Ga, Be. [2, 1]

1.2.2 Elektrické vlastnostiSiC je obecně anisotropní nepřímý polovodič, patřící do skupiny polovodičů s velkoušířkou zakázaného pásu (od 2,39eV až do 3,33eV - podle polytypu). Díky této vlastnostimohou součástky pracovat do vysokých teplot až cca 600 C. V současné době to jemnohem méně, limitujícím faktorem je pouzdro a kontaktování. Nejčastěji používanýmpolytypem je 4H-SiC (3,265eV).

Max. intenzita elektrického pole je pro SiC cca 10x vyšší než pro Si, což dává možnostvytvářet součástky na mnohem vyšší závěrná napětí, resp. v porovnání se součástkamiz Si na stejné jmenovité napětí je možné použít více dotované a tenčí vrstvy což sepozitivně projeví např. na vodivostní ztrátě. Velikost průrazného napětí je závislá nadotaci a tloušťce vrstvy. Intrinsická koncentrace je v porovnání s Si o 9 až 19 řádů menší(podle polytypu).

Saturační driftová rychlost nosičů je cca 2 · 107cm/s což je 2x více než pro Si a tedysoučástky na bázi SiC jsou v porovnání s Si vhodnější na výkonové vf aplikace. [1, 3]

1.2.3 Tepelné vlastnostiVelmi důležitým parametrem pro výkonové a vf aplikace součástek na bázi SiC je te-pelná vodivost. SiC má větší tepelnou vodivost než např. Cu při pokojové teplotě a cca3x větší než Si, což je výhodné, protože vzrůstající teplota negativně ovlivňuje fyzikálnívlastnosti součástek. Jedním z důležitých parametrů je např. pohyblivost nosičů, kteráse se vzrůstající teplotou snižuje. [1]

SiC má cca 2x větší tepelnou roztažnost (4 · 10−6K−1) než Si, což při spojení sSiO2 (5,5 · 10−7K−1) zvyšuje rozdíl v roztažnosti oproti spojení oxidu křemíku s Si. Vporovnání s Cu (17 · 10−6K−1) a Al (22 · 10−6K−1) se tento rozdíl naopak snižuje. [3]

1.2.4 ShrnutíV tabulce 1.1 je porovnání vlastností jednotlivých polytypů s křemíkem. Symboly (‖ c)a (⊥ c) označují směr vůči ose růstu C.

2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Vliv ozáření na polovodiče

Si 4H-SiC 6H-SiC 3C-SiCEg[eV ]Šířka zakázaného pásu 1,12 3,26 3,02 2,2

Ec[MV/cm]Max. intenzita el. pole 0,28 2,2 2,2 1,5

εr[−]Dielektrická konstanta 11,8 10 9,7 9,66

µn[cm2/V s]Pohyblivost elektronů 1350 800 (⊥ c)

1000 (‖ c)400 (⊥ c)90 (‖ c) 900

µn[cm2/V s]Pohyblivost děr 480 110 (⊥ c)

140 (‖ c)100 (⊥ c)20 (‖ c) 40

vsat[107cm/s]Saturační rychlost nosičů 1 2,2 (⊥ c)

0,33 (‖ c)2 (⊥ c)0,2 (‖ c) 2,5

ni[cm−3]Intrinsická koncentrace 1,4 · 1010 8,2 · 10−9 2,3 · 10−6 6,9

λth[W/cm ·K]Tepelná vodivost 1,5 4,9 4,9 4,9

Tabulka 1.1. Porovnání vlastností jednotlivých polytypů s křemíkem. (Hodnoty pro tep-lotu 300K a dotaci 1015cm−3). Tabulka je převzata z [3].

1.3 Vliv ozáření na polovodičeStudium vlivu ozáření různými druhy částic s různou energií je důležité jak z hlediskaschopnosti součástek pracovat v prostředí se zvýšenou radiací, tak i např. z hlediskavyužití polovodičů jako detektorů.

1.3.1 Druhy radiačního poškozeníRozlišují se dva základní druhy poškození polovodičových součástek: [4].Krystalové poruchy: Srážka částice s atomem mřížky způsobí jeho dislokaci. Podle

velikosti předané energie a hybnosti ne-ionizujícího záření atomu mřížky, jsou možné2 druhy poruch: jednoduché poruchy a shluky (clustery). [5] Energie a hybnost pře-daná částici závisí na její hmotnosti a energii dopadajícího kvanta. Vzniklé poruchyv krystalu se mohou pohybovat.

. Ionizace: Týká se dielektrických vrstev. Při interakci dojde k uvolnění nosiče, kterýpomocí difúze nebo driftu putuje na jiné místo, kde je zachycen. Zde způsobujekoncentraci náboje, což má za následek vznik parazitního elektrického pole. Ionizačnípoškození závisí primárně na velikosti absorbované energie a je nezávislé na druhuozáření.

1.3.2 Krystalové poruchyKrystalové poruchy v polovodičích mají významný dopad na jejích elektrické vlastnosti.Krystalové poruchy se projevují v několika oblastech:.Vznik rekombinačně/generačních energetických hladin přibližně uprostřed zakáza-

ného pásu.

3

1. Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..Vznik pastí blízko valenčního a vodivostního pásu nebo blízko středu zakázaného

pásu..Kompenzaci donorů a akceptorů.

Krystalové poruchy významně ovlivňují materiálové parametry jako pohyblivost no-sičů µ a jejich koncentraci N , měrný odpor ρ a dobu života nosičů τ . Po vystavenípolovodiče radiačnímu záření je nejčastěji pozorován nárůst měrného odporu. Tentonárůst je kombinací dvou jevů. Prvním jevem je pokles koncentrace volných nosičůvlivem odstranění příměsí z jejich aktivní polohy uvnitř mřížky. Druhým jevem je vy-tvoření hlubokých úrovní, které změní nábojovou rovnováhu, a skrz Fermi-Diracovustatistiku změní polohu Fermiho hladiny. Také v mnoha případech je náboj mělkýchúrovní, které jsou vytvořeny příměsi, kompenzován hladinami vzniklými vlivem ozáření,což má také za následek pokles koncentrace volných nosičů. [6] Pokles pohyblivosti jezpůsoben poruchou periodicity krystalu a tím zvýšení rozptylu elektronů. Vzniklé pastiblízko valenčního a vodivostního pásu mohou způsobovat nárůst velikosti výstřelovéhošumu. [4]

1.3.3 IonizaceJak již bylo zmíněno výše, ionizace se týká dielektrických vrstev. Jako příklad součástky,na kterou bude mít ionizace velký vliv, je MOSFET tranzistor. Dielektrická vrstva podelektrodou hradla SiO2 vystavená ozáření, které způsobuje ionizaci vygeneruje ve vrstvěSiO2 pár e−– h+.

Elektrony, jelikož mají vyšší pohyblivost než díry, nezrekombinují s děrami, ale jsouinjekovány do substrátu. Díry mohou být zachyceny v objemu oxidu nebo pastmi narozhraní SiO2-Si a vytvářejí zde kladný náboj. Zachycený náboj na rozhraní SiO2-Sipak vytváří pro N-MOSFET parazitní kanál.

Ionizační záření také vytváří nové energetické hladiny v zakázaném pásu rozhraníSiO2-Si. Tyto hladiny mohou být obsazeny elektrony nebo děrami (podle polohy Fer-miho hladiny v rozhraní) a přičítají se nebo odečítají k náboji oxidu. [7, 4]

1.4 Neutronové záření a jeho vliv na SiCNeutronového záření můžeme v přírodě pozorovat při průchodu kosmického záření at-mosférou, kde dochází k interakci s částicemi vzduchu, nebo při spontánním štěpenímatomů. Uměle pak můžeme neutronové záření vytvářet v jaderném reaktoru nebo vý-buchem jaderné bomby.

Neutron je částice elektricky neutrální, tj. bez elektrického náboje. Jeho hmotnostje téměř stejná jako hmotnost protonu, tj. 1,67 · 10−27kg. Dle statistického chování seřadí do skupiny fermionů, tzn. částic s poločíselným spinem, takže pro něj platí Paulihovylučovací princip a podléhají Fermiho-Diracově statistice.

Rychle letící neutron, díky své neutralitě, nemůže přímo ionizovat atom, a protosnadno proniká elektronovými obaly atomu a může interagovat s jádrem. V Tab. 1.2 jerozdělení neutronů podle energií.

Z hlediska vlivu neutronů na polovodiče jsou významné rychlé a případně i tepelnéneutrony. Rychlé neutrony mají dostatečnou energii na to, aby způsobily krystalové po-ruchy. Pravděpodobnost neutronového záchytu jádrem je u nich velice malá díky jejichvysoké energii. Tepelné neutrony, jejichž střední energie je rovna střední tepelné energiiatomů v jejich okolí, můžou mít v závislosti na účinném průřezu vysokou pravděpodob-nost záchytu neutronu v jádře. Jedním z prvků s velkých účinným průřezem je bor (B),

4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Neutronové záření a jeho vliv na SiC

Spektrální skupina Energie

Ultrachladné < 10−6 eVChladné 10−6 – 0,001 eVTepelné 0,001 – 0,5 eVRezonanční 0,5 - 1000 eVStředně energetické 1 – 500 keVRychlé 0,5 - 20 MeVVysokoenergetické > 20 Mev

Tabulka 1.2. Rozdělení neutronů podle energíí.

který se v polovodičích používá k P dotaci a jeho účinný průřez je kolem 3800 barn.1)Při této interakci dochází k štěpení jádra boru na alfa částici a iont lithia.

U karbidu křemíku, díky jeho velké šířce zakázanému pásu, je předpokládána dobráradiační odolnost, protože „prahová“ energie pro vytržení atomu z mřížky je v porovnánís Si poměrně velká. Podle [6] je rychlost degradace koncentrace volných elektronů vporovnání s křemíkem vlivem poruch v krystalu až 3x menší. Dopadající neutronovézáření způsobuje poruchy v krystalu popsané v 1.3.2.

1) 1 barn = 10−28m2

5

Kapitola 2Součástky na bázi SiC

2.1 PIN diodaV současné době není k dispozici komerčně dostupná PIN dioda na bázi SiC, ale jejístruktura je součástí jiných struktur (MPS). Experimentálně byly vytvořeny PIN diodys blokovacím napětím i kolem 10kV. [8] Na Obr. 2.1 je znázorněna struktura PIN diody.

Obrázek 2.1. Struktura PIN diody. Zdroj [9]

Výkonové PIN diody se vyznačují velkým blokovacím napětím, které je způsobenouvelkou tloušťkou a malou dotací vrstvy I (n− epitaxní vrstva). V propustném směruvykazují PIN diody v porovnání s SBD (Schottky barrier diode) na stejné závěrnénapětí menší propustný úbytek, což je dáno tím, že PIN dioda je bipolární součástka aoblast I je zaplavena jak elektrony tak i děrami. Tím vrstvě I rapidně vzroste vodivost.Nevýhodou jsou pak špatné dynamické vlastnosti v porovnání s SBD diodou, jako jenapř. závěrná doba zotavení (lze ji eliminovat vytvořením rekombinačních center voblasti I a tím zkrátit dobu života nosičů). [10]

Oblast označená jako JTE (junction termination extension) potlačují prorážení diodyna jejích okrajích, způsobené velkou intenzitou elektrického pole. Bez těchto oblastí byprůraz diody nastal mnohem dříve.

2.2 SBD diodaV současné době jsou komerčně dostupné diody označené jako SBD (Schottky barrierdiode) na bázi SiC. Ve skutečnosti se ale může jednat o strukturu MPS (bude popsánadále) a to hlavně u diod na větší závěrná napětí. Na Obr. 2.2 je struktura SBD diody.

SBD dioda v porovnání s PIN diodou nabízí podstatně lepší dynamické vlastnosti,protože se jedná o unipolární součástku. Díky vlatnostem SiC lze vytvořit SBD dioduna mnohem větší závěrná napětí než mají Si SBD diody. O proti PIN diodě má nižšíprahové napětí, ale v porovnání obou diod na stejné závěrné napětí, bude vykazovatSBD dioda větší propustný úbytek, protože vodivost epitaxní vrstvy bude nižší. [10]

Oblast GR (guard ring) má stejnou funkci jako oblast JTE u PIN diody.

6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 MPS dioda

Obrázek 2.2. Struktura SBD diody. Zdroj [11]

2.3 MPS diodaKomerčně dostupná pod označením SBD dioda. Na Obr. 2.3 je struktura MPS diody.MPS (Merged PIN Schottky) je spojení Schottky (SBD) a PIN diody. Schottky dioda(přechod: kov, n−) přináší dobré propustné a dynamické vlastnosti, ale vyznačuje sepoměrně velikým závěrným proudem hlavně při vysokých závěrných napětí a teplotách.Naopak PIN dioda (přechod: p+, n−) přináší dobré závěrné vlastnosti, ale vykazuje většípropustný úbytek. Kombinací obou diod jsou jednotlivé negativní vlastnosti vzájemněpotlačeny.

Implantované p+ oblasti vytvářejí ve struktuře SBD diody „paralelně připojenou“PIN diodu. Oblasti mají mezi sebou relativně malé vzdálenosti a jejich cílem je odstínitSchottkyho kontakt od vysoké intenzity elektrického pole při závěrné polarizaci. To vedeke snížení závěrného proudu a zvýšení průrazného napětí diody. [10]

Při propustné polarizaci je prahové napětí SBD diody menší něž prahové napětí im-plantované PIN diody, a proto se v počátku propustné charakteristiky PIN dioda neu-platní. Oblasti na okrajích diody označené jako MJTE (Multistep junction terminationextension) potlačují prorážení diody na jejích okrajích, způsobené velkou intenzitouelektrického pole. Bez přítomnosti této oblasti by bylo průrazné napětí diody mnohemmenší. Dioda se vyznačuje kladnou teplotní závislostí propustného úbytku, nulovoudobou závěrného zotavení, nulovou dobou propustného zotavení a vysokou rychlostíspínání. [12]

Obrázek 2.3. Struktura MPS diody. Zdroj [13].

7

2. Součástky na bázi SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.4 MOSFET tranzistor

Teprve nedávno v r.2011 byly na trh uvedeny MOSFET tranzistory na bázi SiC (Cree aROHM). Společnost ROHM uvádí, že se jedná o tranzistory typu DMOS (1200V/35A)a TrenchMOS (300A). Na Obr. 2.4 je struktura vertikálního DMOS tranzistoru a Tren-chMOS tranzistoru. MOSFET tranzistory na bázi SiC se vyznačují malým odporem ka-nálu při vysokém závěrném napětí (80mΩ) a možností pracovat až do teploty 150 C. [14]

Obrázek 2.4. a) Struktura VDMOS tranzistoru, b) struktura TrenchMOS tranzistoru.Zdroj [15].

2.5 J-FET tranzistorKomerčně jsou k dispozici 2 druhy J-FET tranzistrů na bázi SiC. Původně sloužilyjako alternativa za komerčně neexistující SiC MOSFET tranzistory, které se potýkaly sproblémy jako nízkou pohyblivostí nosičů v kanále, kvalitou oxidu, velkou injekcí nosičůdo oxidu apod. Na Obr. 2.5 je struktura vertikálního normally-on J-FET tranzistoru anormally-off J-FET tranzistoru.

Obrázek 2.5. a) Struktura normally-on J-FET tranzistoru, b) Struktura normally-off J-FET tranzistoru. Zdroj [16–17].

8

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 J-FET tranzistor

Tranzistor a) je v porovnání s b) pro napětí Ugs = 0V otevřený a pro zápornánapětí Ugs se zavírá (rozšiřuje se oblast prostorového náboje OPN). Dnes již neexistujícíspolečnost SemiSouth nabízí tzv. normally-off J-FET tranzistor. Ten se vyznačuje tím,že je bez přivedeného napětí na řídící elektrodu vypnutý. Do sepnutého stavu se uvedepřiložením kladného napětí Ugs.

Princip normall-off tranzistoru je takový, že díky úzkému kanálu a faktu, že na pře-chodu p+ − n− se OPN rozšíří hlavně do oblasti n− je kanál zaškrcen. Přivedenímkladného napětí se OPN zmenší a tranzistor se otevře. Nevýhodou tohoto tranzistorumůže být poměrně veliký řídící proud.

Na Obr. 2.6 je příklad zapojení normally-on J-FET tak, aby se obvod navenek chovaljako normally-off J-FET.

Obrázek 2.6. Zapojení normally-on J-FET jako normally-off. Zdroj [10].

9

Kapitola 3Popis a návrh experimentu

3.1 Postup při ozařováníK ozařování vzorků neutrony byl ve spolupráci s Centrem Výzkumu Řež s.r.o. využitvýzkumný reaktor LR-0. Jedná se o lehkovodní reaktor nulového výkonu (1kW). Oza-řované diody byly rozděleny do 4 skupin. V Tab. 3.1 je rozdělení označených diod dojednotlivých skupin.

Diody Skupina

Ref1, Ref2, Ref3 -D1, D5, A-A, A-B AD2, B-A, B-B, B-C BD4, C-A, C-B CD6, D-A, D-B, D-C D

Tabulka 3.1. Rozdělení diod do jednotlivých skupin.

Diody označené jako RefX nebyly ozařovány a byly uchovány jako referenční. Diodyoznačené jako Dx byly před ozařováním zcharakterizovány, tzn. naměřeny propustnécharakteristiky v oblasti vysoké injekce. Ostatní diody byly doplněny nezcharakterizo-vané.

Obrázek 3.1. Řez reaktoru LR-0.

10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Postup při ozařování

Skupina < 1eV [1/cm2] (0,1 – 1)MeV [1/cm2] > 1MeV [1/cm2] Čas [hod]

A 6,90E+12 6,55E+12 6,46E+12 4B 3,42E+13 3,25E+13 3,20E+13 20C 8,54E+13 8,15E+13 8,04E+13 50D 2,04E+14 1,93E+14 1,91E+14 119

Tabulka 3.2. Obdržené dávky neutronů jednotlivých skupin.

Na Obr. 3.1 je řez reaktoru LR-0. Vzorky byly vloženy do malé plechové nádoby,která byla umístěna ve středu centrálního kanálu, kde je nejvyšší tok neutronů. Velikostijednotlivých dávek byly navrženy podle výsledků z [18] tak, aby degradace elektrickýchparametrů byla rovnoměrně rozdělena.

V tabulce 3.2 jsou uvedeny dávky neutronů s energiemi pod 1eV (tepelná složka),(0,1 – 1)MeV a nad 1MeV, které jednotlivé skupiny vzorků obdržely a čas, po jaký bylyjednotlivé skupiny ozařovány. Střední hodnota výkonu byla po čas ozařovacích cyklů686W.

1 0 - 8 1 0 - 7 1 0 - 6 1 0 - 5 1 0 - 4 1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 11 0 8

1 0 9

1 0 1 0

1 0 1 1

1 0 1 2

1 0 1 3

n [1/c

m2 ]

E n e r g i e [ M e V ]

s k . D s k . C s k . B s k . A

Obrázek 3.2. Spektrum grupového toku dopadajících neutronů.

Na Obr.3.2 a 3.3 jsou spektra grupových toků neutronů a fotonů.1) Po provedeníozáření jednotlivých skupin, byla zjištěna poměrně značná aktivita ozařovaných vzorků.Tepelné neutrony aktivovaly měď obsaženou ve vzorcích a vznikl radionuklid mědi, jehožpoločas rozpadu je cca 12h, takže to nepředstavovalo vážnější problém pro další prácise vzorky.

1) počet částic na cm2 je vždy měřen pro určitou grupu energií

11

3. Popis a návrh experimentu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2 3 4 5 6 71 0 9

1 0 1 0

1 0 1 1

1 0 1 2

1 0 1 3

1 0 1 4

n [1/c

m2 ]

E n e r g i e [ M e V ]

s k . D s k . C s k . B s k . A

Obrázek 3.3. Spektrum grupového toku dopadajících fotonů.

3.2 Popis ozařované strukturyV rámci experimentu byly ozařovány MPS Schottky diody C2D05120A (1200V/5A, TO-220) od společnosti Cree a samotné čipy bez pouzdra CPW3-1700S025 (1700V/25A)také od společnosti Cree. Struktura MPS diody byla popsána v kapitole 2.3. Úplnékatalogové listy jsou v příloze.

Katalogové údaje diody C2D05120A:.Závěrné napětí UR: 1200V.Závěrný proud IR: max. 200µA (UR = 1200V, TJ = 25 C).Střední hodnota propustného proudu IF: 5A (TC = 160 C).Propustný úbytek UF: max. 1.8V (IF = 5A, TJ = 25 C)

Katalogové údaje čipu diody CPW3-1700S025:.Závěrné napětí UR: 1700V.Závěrný proud IR: max. 100µA (UR = 1700V, TJ = 25 C).Střední hodnota propustného proudu IF: 25A (TJ = 175 C)

12

Kapitola 4Dynamické měření závěrných charakteristik

Měření závěrných charakteristik diod nebo jiných součástek klasickou statickou meto-dou má několik nevýhod. První je časová náročnost měření. Závěrná napětí výkonovýchsoučástek jsou poměrně velká a proměřit celou charakteristiku s dostatečně malým kro-kem může trvat i desítky minut. Další nevýhodou může být tepelné zatěžování vlastnímměřením a to hlavně při vysokých teplotách, kdy hodnota závěrného proudu může být zhlediska výkonové ztráty významná. Proto byla vyvinuta metoda dynamického měřenístatických závěrných charakteristik. Metoda byla navržena primárně pro měření závěr-ných charakteristik výkonových diod, ale lze jí bez problémů použít k měření i jinýchtypů součástek.

4.1 Princip metodyPrincipem metody je přivedení lineárně narůstajícího napětí za současného měření pro-cházejícího proudu diodou. V případě ideální diody, která by nevykazovala žádnoubariérovou kapacitu a ani jiné parazitní kapacity, bychom rovnou naměřili její závěrnoucharakteristiku. Ve skutečnosti tomu tak ale není a je třeba blíže specifikovat, co jevýsledkem měření.

Obrázek 4.1. Model diody při závěrné polarizaci.

Na obrázku 4.1 je model diody pro závěrnou polarizaci. Dioda D představuje ideálnídiodu a kapacita C bariérovou kapacitu. Proud i, který metoda měří, je tedy tvořenproudem diody a posuvným proudem procházejícím skrz bariérovou kapacitu. Matema-ticky tedy můžeme proud i za podmínky lineárně narůstajícího napětí na diodě vyjádřitnásledovně:

i = id + ic = id + Cdudt = id + SR · C (1)

kde SR [V/s] označuje rychlost přeběhu přiloženého napětí. Kapacita C bude se vzrůs-tajícím napětím na diodě klesat a tím bude i klesat složka posuvného proudu prochá-zejícím bariérovou kapacitou. Od určitého napětí bude tento proud natolik malý, žezměřená charakteristika bude odpovídat statické závěrné charakteristice.

13

4. Dynamické měření závěrných charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1 Korekce naměřených dat

Aby metoda podávala srovnatelné výsledky s klasickou statickou metodou, je třebakorigovat vliv posuvného proudu. Matematicky můžeme korekci popsat následující sou-stavou rovnic:

i1 = id + SR1 · C (2)i2 = id + SR2 · C (3)

kde i1 označuje změřený proud při rychlosti přeběhu přiloženého napětí SR1 a i2 ozna-čuje změřený proud při rychlosti přeběhu přiloženého napětí SR2. Řešení soustavyrovnic:

i1 − i2 = C(SR1− SR2) (4)

C(U) = i1(U)− i2(U)SR1− SR2 (5)

id(U) = i1(U)− C(U) · SR1 (6)

Princip řešení tedy spočívá ve výpočtu závislosti bariérové kapacity na přiloženém na-pětí. Změna bariérové kapacity nezávisí na rychlosti přeběhu přiloženého napětí. Pokudtedy změříme proud při dvou různých rychlostech měření, pak lze z naměřených proudůurčit závislost bariérové kapacity na napětí a změřený proud korigovat o složku posuv-ného proudu.

4.2 Realizace metody

Obrázek 4.2. Blokové zapojení měřící metody.

Na Obr. 4.2 můžeme vidět principiální zapojení měřící metody. Čárkované spoje ozna-čují řídící signály a plné spoje samotnou měřící trasu. Jako VN zdroj byl použit zdrojPS350 od Stanford Research System. Jedná se o zdroj s rozsahem výstupního napětí50V-5kV a maximálním výstupním proudem 5mA, s možností řídit externím napětímvýstupní napětí zdroje. Pro měření napětí z převodníku I/U a napětí na diodě byly

14

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Realizace metody

použity multimetry s velkou pamětí, konkrétně Agilent 34410A, které mají k dispozicipaměť až pro 50.000 vzorků. Jako generátor(GEN), který řídí VN zdroj a spouští obamultimetry(DMM) byl použit generátor funkcí Agilent 33220A. Všechny přístroje jsouovládány přes sběrnici HP-IB řídícím programem napsaným v systému Agilent Vee Pro.

Signál V-control je napěťová rampa řídící výstupní napětí VN zdroje. Signál Syncřídí spouštění obou multimetrů.

4.2.1 Obvodová realizace

V+

V-

0

00

0

V+

V-

0 0 0

0

0

25ot

100uA

10uA

1uA

100nA

1mA

0-5kV

0-10V

DMM-napeti DMM-proud

Anoda

CON4

1234

P16

12

R60100k

L2

100m

2500V RMSIHD3EB104L

P17

12

P15

12

P_RL1

12

RL1

1meg

C35

100n

R67

100Meg

R62

1Meg

R6840Meg

J5

KINGS - 1704-1

1

2

C33100n

J7KINGS - 1704-1

1

2

Katoda

CON4

1234

C31100n

P_L2

12

D71.5KE10A2

1

C34

100p

P18

12

U7

AD8610

+3

-2

V+

7V

-4

OUT6

P2012

R66200

R63

10Meg

C30100n

J8

1

2

R65

499k

C32

10n

R64

499k

R61

100k

R59

10k

P19

12

Obrázek 4.3. Obvodová realizace metody pro dynamické měření závěrných charakteristik.

Na Obr. 4.3 je obvodová realizace metody. Převodník I/U je tvořený J-FET nízko-šumovým operačním zesilovačem se vstupním proudem max. 10pA. Trimr R60 sloužípro ruční kompenzaci offsetu převodníku. Připojen jen ke kladnému vstupu OZ přes dě-lič a soustavu kondenzátoru pro potlačení zanášení šumu na výstup OZ. Kompenzačníkondenzátor C34 je kondenzátor s dielektrikem PPS (Polyphenylene Sulphide) , jehožztrátový odpor R ≥ 3000MΩ. Výstup převodníku je definován od 0-10V. Transil D7slouží jako ochrana vstupu OZ při průrazu měřené součástky. Díky tomu, že se napětína transilu za podmínky, že OZ není v saturaci, blíží 0, pak transilem nepoteče žádnýproud, který by způsobil chybu měření.

BNC konektory J5 a J7 jsou vysokonapěťové BNC konektory. Vysokonapěťový re-zistor R68 tvoří spolu se vstupním odporem multimetru (10MΩ) dělič, aby bylo možnéměřit napětí až do 5kV. Cívku L2 a rezistor RL1 lze odpojit zkratováním příslušnýchjumperů. Rezistor RL1 je vhodné nechat stále připojený a jeho vliv se uplatní při měřeníprůrazu, protože v momentě kdy se měřená struktura proráží, klesá její odpor, a pak sepřipojený zdroj začíná chovat jako zdroj proudu. Cívka L2 byla použita experimentálně

15

4. Dynamické měření závěrných charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .pro případné potlačení proudové špičky, která by překročila nastavený tzv. TRIP VNzdroje, který vzniká při vysokém di/dt a způsobí vypnutí výstupu VN zdroje.

Zpětnovazební rezistory jsou přesné rezistory s nízkým teplotním koeficientem. Prorozsah 100nA je třeba uvažovat ztrátový odpor připojeného kompenzačního kondenzá-toru a korigovat přepočítávací konstantu.

4.2.2 Programová obsluha metody

Obrázek 4.4. Vývojový diagram obslužného programu.

Jak bylo zmíněno v úvodu, metoda je řízená programem napsaným v systému VeePro. Na Obr. 4.4 je vývojový diagram obslužného programu. Před zahájením měření jezměřen offset převodníku. Offset je kvůli potlačení šumu vypočten jako střední hodnotaz odebraných 100 vzorků. Dále jsou inicializovány měřící multimetry, zapnut výstup VN

16

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Realizace metody

zdroje a podle parametrů měření nastaven generátor. Poté generátor začne generovatřídící rampu a zároveň generuje Sync signál, který spustí měření. Oba multimetry majívždy nastaveno zpoždění před zahájením vzorkovaní, které je vždy takové, aby výstupnínapětí VN zdroje přeběhlo 40V. Je to proto, aby nebyl navzorkován start zdroje.

Po navzorkování dat, jsou data pomocí klouzavého průměru vyhlazena, protožehlavně v počátcích charakteristiky jsou poměrně zašumělá. Dále dojde ke snížení časuměření 3x, a tím se změní SR(rychlost přeběhu) výstupního napětí a celé měření seznovu opakuje.

Po odměření druhé charakteristiky jsou data naměřených charakteristik zpracoványinterně volaným MATLAB skriptem. Výstupem skriptu je pak korigovaná závěrná cha-rakteristika a případně i závislost bariérové kapacity na napětí.

4.2.3 Nastavení měřících přístrojůMěřící multimetry obsahují integrační A/D převodník. Z hlediska potlačení rušení jedůležité správně nastavit jeho integrační dobu. Pro potlačení rušení sítě je tedy třebanastavit vždy násobek periody sítě. Multimetry si samy tuto periodu měří. Jako inte-grační doba byla tedy nastavena 1NPLC (number of power line cycles). Doba vzorkovánípak tedy musí být rovna nebo větší než doba integrace. Protože měření probíhá poměrněpomalu, není toto problém.

Oba multimetry jsou nastaveny na externí spouštění. Doba mezi odběry vzorku jenastavena na 21ms a počet vzorků, které budou uloženy, je vypočítán ze zadané dobyměření vztahem:

N = T − Tdel

ts· (1− 0,01) (7)

Kde T je doba měření, Tdel zpoždění spuštění vzorkování multimetrů, ts je vzorkovacíperioda a korekční člen (1− 0,01) zabrání na vzorkování vypnutí VN zdroje.

Čas zpoždění vypočítáme podle vztahu:

Tdel = Vdel

SR(8)

Kde Vdel označuje napětí, od kterého chceme vzorkovat a SR je rychlost přeběhunapětí VN zdroje.

SR určíme podle vztahu:

SR = Umax − Uoff

T(9)

Kde Umax určuje max. napětí do kterého chceme měřit, Uoff určuje napěťový offsetVN zdroje (50V) a T je doba měření.

Generátor je nastaven do Burst režimu s generací lineární rampy a spouštěn je soft-warově. Fáze signálu je nastavena na -179. Amplituda rampy je definována vztahem:

Uamp = Umax

500 (10)

a platí, že 10V na vstupu odpovídá 5kV na výstupu.Offset rampy je definován vztahem:

Uramp−off = Uamp

2 + 0,1 (11)

Vůstup generátoru je nastaven na High-Z load, tzn. práce do vysoké impedance,protože impedance vstupu VN zdroje pro řízení výstupního napětí je 1MΩ.

17

4. Dynamické měření závěrných charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.4 MATLAB skript

%data 1. pruchoddata_slow=importdata([file,’.001’]);

%data 2. pruchoddata_fast=importdata([file,’.002’]);

%hleda minimummin_data_slow=min(data_slow(:,1));min_data_fast=min(data_fast(:,1));

%hleda maximummax_data_slow=max(data_slow(:,1));max_data_fast=max(data_fast(:,1));

%vytvari vektor napetiv=(ceil(max(min_data_slow,min_data_fast)):0.5:floor(min(max_data_slow,max_data_fast)))’;

%interpolace y-data_slow, podle vdata_slow_yi=interp1(data_slow(:,1),data_slow(:,2),v);

%interpolace y-data_fast, podle vdata_fast_yi=interp1(data_fast(:,1),data_fast(:,2),v);

%vypocet rychlosti prebehuSR_slow=(V-50)/T;SR_fast=(V-50)/(T/3);

%rozdil namerenych proududiff_data=data_slow_yi-data_fast_yi;

%test platnosti datindex=length(diff_data);for i=1:length(diff_data)

if diff_data(i)>0index=i;break;

endend

%nuluje zbytekdiff_data(index:length(diff_data))=0;

%vyhlazeni rozdilu proududiff_data=smooth(diff_data,0.2,’sgolay’);

%vypocet kapacityCb=diff_data/(SR_slow-SR_fast);

%derivace vypoctene kapacitydCb=smooth(diff(Cb),0.3);

18

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Kalibrace metody

%test platnosti datindex=length(dCb);for i=1:length(dCb)

if dCb(i)>0index=i;break;

endend

%nuluje zbytekCb(index:length(Cb))=0;

%vypocet posuvneho prouduic_slow=Cb*SR_slow;ic_fast=Cb*SR_fast;

%vystupni matice datdata_slow_corrected(:,1)=v;data_slow_corrected(:,2)=smooth(data_slow_yi-ic_slow,0.2,’sgolay’);

%zapis do souborudlmwrite(file,data_slow_corrected,’-append’,’newline’,’pc’,’precision’,14);

Výpis kódu nepotřebuje podrobný komentář, jednotlivé kroky jsou stručně popsányv komentářích. Po načtení změřených dat je vytvořen vektor napětí a podle tohotovektoru jsou změřená data interpolována. Interpolaci je nutno provést z toho důvodu,aby bylo možné naměřená data od sebe odečíst. Při obou měřeních, totiž nelze zaručit,a to hlavně z důvodu rozdílné rychlosti měření, že proud bude v obou měřeních odměřenvždy pro stejné hodnoty napětí.

Ze zadaných parametrů měření jsou vypočteny SR parametry. Dále je vypočten rozdílnaměřených proudů (odečítá se rychlejší měření od pomalejšího, takže v počátku byměl být rozdíl záporný). Tento rozdíl je třeba pomocí cyklu projít a při prvním výskytukladného rozdílu další data označit jako neplatná, resp. je vynulovat. Tento test je nutnýz toho důvodu, že jak bariérová kapacita klesá, klesá i rozdíl proudu v obou měřenícha od určitého napětí by naměřené proudy měly být v podstatě shodné. Ve skutečnostizde ale bude existovat vždy nějaký, byť minimální rozdíl a tento rozdíl pak způsobí něcojako „oscilace“ ve vypočteném rozdílu.

Dále je vypočtený rozdíl vyhlazen a vypočtena závislost bariérové kapacity na napětí.Tato závislost je zderivována a další cyklus, podobně jako u vypočteného rozdílu projdevypočtená data a hledá kladnou hodnotu derivace. Pokud ji nalezne, další data označíza neplatná a vynuluje je. Tento test odstraní část závislosti bariérové kapacity nanapětí, která je v rozporu s fyzikální podstatou. Tato nesrovnalost bude pravděpodobnězpůsobena vyhlazením dat vypočteného rozdílu. Z korigované závislosti kapacity jsouvypočteny posuvné proudy a změřená data o tyto proudy korigována.

4.3 Kalibrace metodyPro ověření zda metoda, resp. převodník I/U měří správně, bylo provedeno měření tes-tovacího vzorku pomocí analyzátoru Agilent 4156C a porovnáno s měřením pomocí

19

4. Dynamické měření závěrných charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .navržené metody. Jako testovací vzorek byl použit 20MΩ a 100MΩ rezistor s nízkýmteplotním koeficientem, aby se zabránilo zkreslení měření vlivem rozdílné teploty, pro-tože při měření pomocí analyzátoru není k dispozici žádná teplotní stabilizace vzorku.Přesnost výstupního napětí bude závislá na odchylce zadané hodnoty zpětnovazebníchrezistorů od skutečné hodnoty a na velikosti výstupního offsetu převodníku. Protožebyly vybrány rezistory s přesností 0,1% pro rozsahy 1mA, 100uA, 10uA a pro zbylérozsahy s přesností 1% s nízkým teplotními koeficienty, lze očekávat, že metoda budeposkytovat srovnatelné výsledky jako analyzátor Agilent 4156C, viz. Obr. 4.5.

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0

5 0 0 , 0 n1 , 0 µ1 , 5 µ2 , 0 µ2 , 5 µ3 , 0 µ3 , 5 µ4 , 0 µ4 , 5 µ5 , 0 µ5 , 5 µ

I r [A]

U r [ V ]

R z = 2 0 M Ω

R z = 1 0 0 M Ω

R o z s a h 1 0 u A

R o z s a h 1 u A

Obrázek 4.5. Porovnání výsledků měření pomocí analyzátoru Agilent 4156C (přerušovaně)a navržené metody pro rozsah 10uA a 1uA (červeně).

4.4 Srovnání

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 01 p

1 0 p

1 0 0 p

1 n

1 0 n

1 0 0 n

1 µ

I r [A]

U r [ V ]

b e z k o r e k c e , 2 0 0 0 V / 1 2 0 s ( 1 6 V / s )

s t a t i c k e m e r e n i

s k o r e k c i

R o z s a h 1 u AT e p l o t a = 3 0 ° C

Obrázek 4.6. Porovnání staticky a dynamicky naměřené závěrné charakteristiky diodyC3D10170H při 30 C před a po korekci.

20

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Srovnání

Na Obr. 4.6 je porovnání staticky a dynamicky naměřené závěrné charakteristikydiody C3D10170H při 30 C před a po korekci. Charakteristiky byly měřeny při rozsahu1uA. Po korekci je vidět poměrně dobrá shoda obou charakteristik. Na charakteristicebez korekce je dobře patrný vliv posuvného proudu a jeho klesající podíl v změřenémproudu při nárůstu napětí.

Od napětí cca 1125V jsou obě charakteristiky při dané rychlosti měření bez korekceshodné. Toho lze využít při měření průrazů, který obvykle nastává v oblasti, kde jejiž vliv posuvného proudu zanedbatelný a změřenou charakteristiku pak není třebakorigovat.

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 04 5 , 0 0 p

6 0 , 0 0 p

7 5 , 0 0 p

9 0 , 0 0 p

1 0 5 , 0 0 p

1 2 0 , 0 0 p

1 3 5 , 0 0 p

C [F]

U r [ V ]

T e p l o t a = 3 0 ° C

Obrázek 4.7. Vypočtená závislost bariérové kapacity při korekci pro diodu C3D10170Hpři 30 C.

Na Obr. 4.7 je vypočtená závislost bariérové kapacity na napětí pro dioduC3D10170H při 30 C. Pro závislost bariérové kapacity na napětí platí C ≈

√1

Ur

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 01 n

1 0 n

1 0 0 n

1 µ

I r [A]

U r [ V ]

1 6 V / s3 3 V / s

5 0 V / s

1 0 0 V / s

T e p l o t a = 3 0 ° C

Obrázek 4.8. Porovnání změřených charakteristik diody C3D10170H při 30 C pro různérychlosti měření.

21

4. Dynamické měření závěrných charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Na Obr. 4.8 jsou pro ilustraci uvedeny změřené charakteristiky bez korekce pro různé

rychlosti měření.

4.5 Výhody a nevýhody navržené metodyVýhody:.Vysoká rychlost měření a současně velký počet změřených bodů.Díky rychlosti měření potlačení tepelného zatěžování vlastním měřením.Současné měření I-V a C-V charakteristiky pro velká závěrná napětí.Možnost měřit dynamicky i staticky

Nevýhody:.Při dynamickém měření nelze přepínat rozsahy→ - velká nejistota měření pro počátekrozsahu.Kvalita korekce závisí na přesnosti měření a pro velmi malé proudy nemusí být korekcev počátku charakteristiky úspěšná.Při měření různých součástek a struktur je třeba vždy brát na zřetel, že se jedná odynamické měření a že korekce umí korigovat pouze paralelně připojené kapacity aťuž parazitní nebo dané typem struktury

22

Kapitola 5Vliv neutronů na ozařovanou strukturu

5.1 Propustná charakteristikaNa Obr. 5.1 je náhradní obvod MPS Schottky diody.

n- epi. n+

ko

v

ko

vA K

Oblast driftu Substrát

Rs Rsub RcUFB

Obrázek 5.1. Náhradní obvod MPS diody. Zdroj [19]

UF B označuje úbytek napětí na Schottkyho bariéře, Rs je odpor epitaxní vrstvy, Rsub

je odpor substrátu a Rc je odpor obou kontaktů.Teče-li diodou proud IF , pak celkový úbytek napětí na diodě můžeme vyjádřit vzta-

hem (1).

UF = UF B + IF (Rs +Rsub +Rc) (1)

Úbytek napětí na Schottkyho bariéře můžeme vyjádřit pomocí vztahu (2).

UF B =ln ( IF +IS

IS)n · k · Tq

(2)

kde Is značí saturační proud, n je emisní koeficient (faktor ideality), k Boltzmanovakonstanta, q náboj elektronu a T absolutní teplota.

Odpor málo dotované epitaxní vrstvy a substrátu pro unipolární součástku můžemevyjádřit pomocí vztahu (3).

Rs = wB

q · µn ·N ·A(3)

Kde µn je pohyblivost elektronů, N je koncentrace volných elektronů, wB je tloušťkavrstvy a A je plocha anody.

V případě studované diody C2D05120A, která je vyrobena na 100mm waferu s tloušť-kou 350µm a měrným odporem (0,015 − 0,028)Ω · cm a při uvažované ploše anody2,82mm2 pak vychází odpor substrátu max. cca 348µΩ. Odpor substrátu a kontaktůlze tedy zanedbat a celkový úbytek napětí na diodě můžeme vyjádřit vztahem (4).

23

5. Vliv neutronů na ozařovanou strukturu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

UF =ln ( IF +IS

IS)n · k · Tq

+ IF ·Rs (4)

Z kapitoly 1.3 plyne, že vystavení struktury neutronovému ozáření, může způsobit:.Nárůst odporu epitaxní vrstvy vlivem deaktivace nebo kompenzace příměsí..Vznik rekombinačních center, které způsobí nárůst rekombinačního proudu.

5.1.1 Výsledky

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0 1 , 21 f

1 0 0 f

1 0 p

1 n

1 0 0 n

1 0 µ

1 m

1 0 0 mT e p l o t a 2 5 ° C

I F [A]

U F [ V ]

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 ( A ) 3 , 2 0 E + 1 3 ( B ) 8 , 0 4 E + 1 3 ( C ) 1 , 9 1 E + 1 4 ( D )

Obrázek 5.2. Propustné charakteristiky diod v oblasti nízké injekce v závislosti na obdr-žené dávce.

Na Obr. 5.2 je porovnání propustných charakteristik v oblasti nízké injekce. Z na-měřených propustných charakteristik je patrné, že nárůst rekombinačního proudu prorůzné dávky ozáření je naprosto minimální až nulový. Pro dávku D je vidět, že di-oda je vysokou dávkou neutronů zničená. Stále vykazuje určité prahové napětí, ale máobrovský sériový odpor.

Na Obr. 5.3 je porovnání propustných charakteristik v oblasti vysoké injekce (měřenoimpulsně). V této části charakteristiky je dobře vidět nárůst sériového odporu vlivemdeaktivace příměsí v epitaxní vrstvě.

Diody/skupina n[−] Is[A]

Ref1, Ref2, Ref3 /- 1,02 5,751E-16D1, D5, A-A, A-B /A 1,027± 0,005 6,496E-16D2, B-A, B-B, B-C /B 1,027± 0,002 6,155E-16D4, C-A, C-B /C 1, 044± 0,007 5,956E-16D6, D-A, D-B, D-C /D 1, 082± 0,007 (4,88± 1,52)E-16

Tabulka 5.1. Odečtené parametry modelu pro propustný úbytek v oblasti nízké injekce.

24

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Propustná charakteristika

0 , 5 1 , 0 1 , 5 2 , 0 2 , 5 3 , 0 3 , 5 4 , 0 4 , 50

4

8

1 2

1 6

2 0

I F [A]

U F [ V ]

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 ( A ) 3 , 2 0 E + 1 3 ( B ) 8 , 0 4 E + 1 3 ( C )

T e p l o t a 2 5 ° C

Obrázek 5.3. Propustné charakteristiky diod v oblasti vysoké injekce v závislosti na ob-držené dávce.

V Tab. 5.1 jsou stanovené parametry pro aproximaci propustné charakteristiky po-mocí vztahu (4) v oblasti nízké injekce. U některých hodnot není uvedená směrodatnáodchylka, protože byla o několik řádů menší než samotná průměrná hodnota. V po-rovnání s výkonovými Schottky diodami na bázi Si [20] jsou saturační proudy až o9 řádů nižší. V závislosti na obdržené dávce se saturační proud téměř nemění. Jedinývýraznější pokles je pro dávku D, ale vzhledem k velké nejistotě odečtené hodnoty satu-račního proudu a také faktu, že je dioda přezářená, není tento výsledek příliš relevantní.U emisního koeficientu je vidět nepatrný nárůst. Protože se emisní koeficient nachází vexponentu, může mít i tento malý nárůst již nepatrný vliv na propustné charakteristiky.

0 , 0 0 E + 0 0 0 5 , 0 0 E + 0 1 3 1 , 0 0 E + 0 1 4 1 , 5 0 E + 0 1 4 2 , 0 0 E + 0 1 4

1 , 0 2

1 , 0 3

1 , 0 4

1 , 0 5

1 , 0 6

1 , 0 7

1 , 0 8

1 , 0 9

n [-]

φ [ 1 / c m 2 ]

y = 1 , 0 2 0 4 + ( 3 , 1 6 1 7 E - 1 6 ) x

Obrázek 5.4. Nárůst emisního koeficientu v závislosti na obdržené dávce.

25

5. Vliv neutronů na ozařovanou strukturu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Na Obr. 5.4 je nárůst emisního koeficientu v závislosti na obdržené dávce. Vynesenou

závislost můžeme popsat rovnicí (5).

n(φ) = n0 +Kn · φ (5)

kde n0 je počáteční emisní koeficient, φ je obdržená dávka a Kn je koeficient nárůstuemisního koeficientu. V Tab. 5.2 jsou uvedeny parametry počátečního emisního koefi-cientu a koeficientu jeho nárůstu pro diody C2D05120A:

n [-] Kn[cm2]

1,0204 3,1617E-16

Tabulka 5.2. Počáteční emisní koeficient a koeficient nárůstu emisního koeficientu prodiody C2D05120A.

V Tab. 5.3 jsou relativní poklesy vodivosti v závislosti na obdržené dávce. Poklesybyly stanoveny z rozdílů vodivostí zcharakterizovaných diod. 1/Rs0 značí vodivost předozářením a 1/Rs po ozáření.

Dioda/skupina 1/Rs0[S] 1/Rs[S] Rs0/Rs[-]

D1/A 9,185 8,740 0,952D2/B 9,141 5,741 0,628D4/C 8,457 0,895 0,106D6/D 8,514 2,53E-6 0,297E-6

Tabulka 5.3. Relativní pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.

V Tab. 5.4 jsou uvedeny absolutní změny vodivosti vůči referenční vodivosti v závis-losti na obdržené dávce.

Dávka [1/cm2] 1/Rs[S]

0 8,842± 0,3416,46E+12 8,4183,20E+13 5,5538,04E+13 0,9371,91E+14 2,6E-6

Tabulka 5.4. Pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.

Referenční vodivost byla určena z referenčních diod a ze změřených charakteristikdiod před ozářením. Na Obr. 5.5 je pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.Závislost by měla být vzhledem k vztahu (3) lineární, protože vodivost je přímo úměrnádotaci epitaxní vrstvy. Vynesenou závislost můžeme popsat rovnicí (6).

1/Rs(φ) = 1/Rs0 −Ks · φ (6)

kde 1/Rs0 je počáteční vodivost, φ je obdržená dávka a Ks je koeficient degradacevodivosti.

26

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Propustná charakteristika

0 , 0 0 E + 0 0 0 2 , 0 0 E + 0 1 3 4 , 0 0 E + 0 1 3 6 , 0 0 E + 0 1 3 8 , 0 0 E + 0 1 3

0

2

4

6

8

1 0

1/Rs [

S]

φ [ 1 / c m 2 ]

y = 8 , 8 9 8 - ( 9 , 9 6 3 E - 1 4 ) x

Obrázek 5.5. Pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.

V Tab. 5.5 jsou uvedeny parametry počáteční vodivosti a koeficient degradace vodi-vosti pro diody C2D05120A:

1/Rs0 [S] Ks[cm2/Ω]

8,898 9,963E-14

Tabulka 5.5. Počáteční vodivost a koeficient degradace vodivosti pro diody C2D05120A.

0 , 0 0 , 5 1 , 0 1 , 5 2 , 0 2 , 5 3 , 0 3 , 5 4 , 0 4 , 5

1 , 5 x 1 0 1 5

2 , 0 x 1 0 1 5

2 , 5 x 1 0 1 5

3 , 0 x 1 0 1 5

3 , 5 x 1 0 1 5

4 , 0 x 1 0 1 5

4 , 5 x 1 0 1 5

5 , 0 x 1 0 1 5

5 , 5 x 1 0 1 5

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 ( A ) 3 , 2 0 E + 1 3 ( B ) 8 , 0 4 E + 1 3 ( C )

N [1/c

m3 ]

W [ u m ]

T e p l o t a = 2 5 ° C

Obrázek 5.6. Koncentrační profily v závislosti na obdržené dávce.

Na Obr. 5.6 je porovnání koncentračních profilů ozářených diod C2D05120A, měře-ných při teplotě 25C v závislosti na obdržené dávce. Koncentraci volných elektronů lzestanovit z C-V charakteristiky (závislost bariérové kapacity na napětí) určením kon-centračního profilu podle vztahu (7).

N(W ) = − C3

qεrε0A2dC/dV(7)

27

5. Vliv neutronů na ozařovanou strukturu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .kde W označuje hloubku koncentrace, εr je dielektrická konstanta, ε0 je permitivitavakua, A je plocha anody a q je náboj elektronu.

Hloubku určíme podle vztahu (8).

W = εrε0A

C(8)

Naměřené koncentrační profily ukazují pokles koncentrace v závislosti na obdrženédávce, což dobře koresponduje s propustnými charakteristikami v oblasti vysoké injekce,protože vodivost epitaxní vrstvy je přímo úměrná velikosti dotace. Z naměřených kon-centračních profilů lze stanovit pokles koncentrace volných elektronů v epitaxní vrstvěv závislosti na obdržené dávce.

Diody/skupina N [1/cm3]

Ref1, Ref2, Ref3 /- (5,325± 0,077)E+15D1, D5, A-A, A-B /A (5,250± 0,047)E+15D2, B-A, B-B, B-C /B (4,541± 0,024)E+15D4, C-A, C-B /C (2,959± 0,009)E+15

Tabulka 5.6. Odečtené parametry modelu pro propustný úbytek v oblasti nízké injekce.

Koncentrace byla stanovena pro hloubku 3,5µm. Na Obr. 5.7 je vynesená závislost.

0 , 0 2 , 0 E 1 3 4 , 0 E 1 3 6 , 0 E 1 3 8 , 0 E 1 3

3 , 0 E 1 5

3 , 5 E 1 5

4 , 0 E 1 5

4 , 5 E 1 5

5 , 0 E 1 5

5 , 5 E 1 5

N [1/c

m3 ]

φ [ 1 / c m 2 ]

y = ( 5 , 4 1 0 4 E + 1 5 ) - 3 0 , 0 0 7 3 x

Obrázek 5.7. Pokles koncentrace volných elektronů v závislosti na obdržené dávce.

Vynesenou závislost můžeme popsat rovnicí (9).

N(φ) = N0 −KN · φ (9)

kde N0 je počáteční koncentrace, φ je obdržená dávka a KN je koeficient degradacekoncentrace.

28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Závěrná charakteristika

V Tab. 5.7 jsou uvedeny parametry počáteční koncentrace a koeficient degradacekoncentrace pro diody C2D05120A:

N0 [1/cm3] KN [cm−1]

5,4104E+15 30,239

Tabulka 5.7. Počáteční koncentrace a koeficient degradace koncentrace pro diodyC2D05120A.

0 , 0 0 E + 0 0 0 2 , 0 0 E + 0 1 3 4 , 0 0 E + 0 1 3 6 , 0 0 E + 0 1 3 8 , 0 0 E + 0 1 30 , 0 0

0 , 2 5

0 , 5 0

0 , 7 5

1 , 0 0

Norm

[-]

φ [ 1 / c m 2 ]

k o n c e n t r a c e

v o d i v o s t

Obrázek 5.8. Porovnání rychlosti degradace vodivosti vs. koncentrace.

Při znormování závislosti poklesu koncentrace a vodivosti, můžeme tyto dvě závislostiporovnat. Na Obr. 5.8 je porovnání těchto závislostí. Sklon obou křivek není stejný cožznamená, že pokud předpokládáme, že odpor epitaxní vrstvy je definován vztahem (3),pak by mohlo docházet vlivem neutronového záření i k poklesu pohyblivosti elektronů.

V článku [21], který se zabývá studiem vlivu neutronového záření na elektrické vlast-nosti SiC J-FET tranzistoru, byl popsán pokles pohyblivosti nosičů vlivem rozptyluvolných nosičů na ionizovaných příměsích. Pokles pohyblivosti byl stanoven pro dávkyv řádu 1015 [1/cm2] což je mnohem více než v případě navrženého experimentu v rámcitéto práce, ale při porovnání vlivu neutronového záření na studovaný J-FET tranzis-tor, je významnější pokles elektrických parametrů až pro dávky 5 · 1014[1/cm2], což jemnohem více než v případě studované MPS diody. Proto je možné, že by tento efektmohl v případě studované MPS diody nastat už při nižších dávkách.

5.2 Závěrná charakteristikaNa základě popisu vlivu radiace na polovodiče v kap. 1.3, lze předpokládat následujícívliv neutronového záření na studované diody:.Nárůst generačního proudu vlivem vytvoření generačních center.Nárůst průrazného napětí vlivem poklesu dotace epitaxní vrstvy

29

5. Vliv neutronů na ozařovanou strukturu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.1 Výsledky

Na Obr. 5.9 je porovnání závěrných charakteristik v oblasti malých závěrných napětía na Obr. 5.10 je porovnání průrazných napětí v závislosti na obdržené dávce. Z na-měřených charakteristik lze říci, že diody v porovnání s výkonovými Schottky diodamina bázi Si [20] nevykazují téměř žádný nárůst generačního proudu. Tento jev by sedal vysvětlit velkou šířkou zakázaného pásu, která je pro SiC v porovnání s Si cca 3xvětší. Jediný efekt, který lze pozorovat v oblasti nízkých závěrných napětí, je navyšovánírychlosti nárůstu závěrného proudu na nominální hodnotu.

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5

1 0 f

1 0 0 f

1 p

1 0 p

I r [A]

U r [ A ]

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 ( A ) 3 , 2 0 E + 1 3 ( B ) 8 , 0 4 E + 1 3 ( C ) 1 , 9 1 E + 1 4 ( D )

T e p l o t a = 2 5 ° C

Obrázek 5.9. Porovnání závěrných charakteristik v oblasti malých závěrných napětí vzávislosti na obdržené dávce.

1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 2 4 0 01 0 0 n

1 µ

1 0 µ

1 0 0 µ

I r [A]

U r [ V ]

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 ( A ) 3 , 2 0 E + 1 3 ( B ) 8 , 0 4 E + 1 3 ( C ) 1 , 9 1 E + 1 4 ( D )

T e p l o t a = 2 5 ° C

Obrázek 5.10. Porovnání průrazných napětí v závislosti na obdržené dávce.

Průrazné napětí s narůstající dávkou nejdříve klesá, což je v rozporu s prvotnímpředpokladem a od dávky C narůstá. Tento fakt by mohl být způsoben buď velkým

30

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Závěrná charakteristika

rozptylem průrazných napětí u jednotlivých vzorků nebo tím, že v počátcích ozařování,kdy celková dávka je malá a tedy pokles dotace epitaxní vrstvy je malý, převažuje jinýmechanismus, který mění hodnotu průrazného napětí. S jistou lze ale říci, že se zvyšujícíse dávkou samotný průraz diody tzv. „měkne“ to znamená, že při průrazu není nárůstzávěrného proudu tak prudký. V Tab. 5.8 jsou odečtené hodnoty průrazných napětí.

Diody/skupina Ubr [V]

Ref1, Ref2, Ref3 /- 2029,3± 18D1, D5, A-A, A-B /A 1958± 11D2, B-A, B-B, B-C /B 1939,3± 26D4, C-A, C-B /C 2001± 18D6, D-A, D-B, D-C /D 2229,6± 18

Tabulka 5.8. Průrazná napětí diod v závislosti na obdržené dávce při závěrném proudu80uA.

31

Kapitola 6SPICE model MPS diody

Při dnešním vývoji elektroniky je snad až pravidlem, že se jednotlivé funkční blokynejdříve simulují. Díky tomu, že lze simulacemi ověřit různé možnosti bez fyzického ná-vrhu a měření, přináší simulace velkou finanční a časovou úsporu. Na výsledky simulacíje však třeba pohlížet s nedůvěrou, protože výsledek simulace bude vždy tak přesný, jakpřesně bude daný model popisovat reálnou situaci. Při vytváření modelů elektronickýchsoučástek existují dva přístupy, jak daný model vytvořit. První přístup je modelovánífyzikálních jevů v dané součástce. Tento přístup sice vyžaduje znalost analytického po-pisu daných jevů, ale většinou poskytuje přesnější výsledky, avšak za cenu rychlostivýpočtu, a také je třeba znát fyzikální parametry dané součástky (plochy kontaktů,tloušťky jednotlivých vrstev, dotace apod.). Druhým přístupem je vytvoření matema-tického popisu, který dobře aproximuje změřené charakteristiky. Tímto způsobem, lzeveškeré parametry modelu získat z naměřených charakteristik.

6.1 Popis modeluV rámci této práce, je použit unifikovaný model diody, někdy též nazýván jako „Manto-oth unified diode model“, podle H. Alan Mantooth [22–24], který daný model vytvořil.Jedná se o univerzální model, kterým lze modelovat jak signálové, tak i výkonové diody.Modelem lze modelovat propustné a závěrné charakteristiky, dynamické jevy a závis-lost na teplotě. Pro modelování činnosti SiC MPS diody byla z modelu využita částpropustné a závěrné charakteristiky a závislosti na teplotě.

6.1.1 Propustná charakteristika

Obrázek 6.1. Příklad propustné charakteristiky modelu diody. Převzato z [22]

32

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Popis modelu

Na Obr. 6.1 je příklad propustné charakteristiky obecné diody. Charakteristiku mů-žeme pomyslně rozdělit na několik částí a každou modelovat zvlášť. Oblast rekombi-načního proudu je modelováná standardní Shockleyho rovnicí vztahem (1).

irec = ISR · (eUj/NR·UT − 1) (1)

kde ISR je saturační proud,NR je emisní koeficient (faktor ideality), UT teplotní napětía Uj napětí na přechodu. Nastavením parametru ISR = 0 můžeme vliv rekombinač-ního proudu vyloučit. Oblasti nízké injekce, vysoké injekce, emitorové rekombinace asériového odporu jsou typické pro výkonové diody.

Pokud je specifikován parametr ISH, což je saturační proud v oblasti vysoké injekce,pak je oblast nízké a vysoké injekce popsána společným vztahem (2), pokud parametrISH definován není, pak je oblast nízké injekce popsána vztahem (1), ale s parametryISL, NL.

iO = 2 · iL

1 +[1 +

(2 ISL

ISH

)Neff eVj/VT

]1/Neff(2)

kde iL je injekční proud v oblasti nízké injekce, ISL a ISH jsou saturační proudypro oblast nízké a vysoké injekce. Parametr Neff je definován vztahem (3).

Neff = 11

NL −1

NH

(3)

kde NL a NH jsou emisní koeficienty pro oblast nízké a vysoké injekce.Oblast emitorové rekombinace, která je typická pro PiN diodu je popsána podobně

jako oblast rekombinačního proudu vztahem (4).

ie = ISE · (eUj/NE·UT − 1) (4)

kde ISE je saturační proud aNE je emisní koeficient pro oblast emitorové rekombinace.Nastavením parametru ISE = 0 můžeme vliv emitorové rekombinace vyloučit.

Při modelování signálových diod je někdy žádoucí dosáhnout stejného efektu v oblastivysoké injekce, který u výkonových diod způsobuje emitorová rekombinace. Tohoto jevumůžeme dosáhnout vztahem (5).

iD = iDF√1 + iDF

IKF

(5)

kde iD je celkový proud diodou, iDF je součet jednotlivých složek proudu modelu a pa-rametr IKF modeluje efekt emitorové rekombinace. Pokud je parametr IKF definován,pak model nebere v úvahu parametry ISH a NH.

6.1.2 Závěrná charakteristikaPoužitý model umožňuje při modelování závěrné charakteristiky použít celkem až 5možných jevů, které ovlivňují tvar závěrné charakteristiky. Prvním jevem je změnaparalelně připojené vodivosti, která se mění s teplotou (parametr GREV, TGREV)a pomáhá řešit problém s konvergencí řešení kolem 0V při přechodu z propustné dozávěrné oblasti a opačně.

Druhým jevem je exponenciální nárůst závěrného proudu, který se vyskytuje u Ze-nerových diod. Tento nárůst je modelován rovnicí (6).

33

6. SPICE model MPS diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iz = ISZ · (e−Uj/NZ·UT − 1) (6)

Třetím jevem je lavinový průraz. Proud při lavinovém průrazu je popsán vztahem(7).

iBD = IBV · (e−(Uj+BV )/NBV ·UT − e−BV/NBV ·UT ) (7)

kde IBV je počáteční proud při průrazu, BV je průrazné napětí a NBV je emisníkoeficient v oblasti průrazu.

Čtvrtým jevem, který umí model zahrnout při modelování závěrné charakteristiky atím nabídnout další možnost, jak se přiblížit k reálné charakteristice, je definice para-metru IKR, což je obdoba parametru IKF, ale pro závěrnou oblast.

Pátým jevem je možnost definice sériového odporu zvlášť pro závěrnou a propustnouoblast.

6.1.3 Teplotní závislostTeplotní závislost saturačního proudu je definována vztahem (8).

IS(T ) = IS(TNOM) ·(

T

TNOM

)XT I/N

· e[(T/T NOM)−1]·((EG/N)·UT ) (8)

kde XTI je parametr teplotní závislosti saturačního proudu, EG je teplotně závislášířka zakázaného pásu a N je teplotně závislý emisní koeficient.

Teplotní závislost emisního koeficientu je definována vztahem (9).

N(T ) = N(TNOM) · [1 + TN1(T − TNOM) + TN2(T − TNOM)2] (9)

kde TN1 a TN2 je lineární a kvadratický teplotní koeficient.Teplotní závislost sériového odporu je definována vztahem (10).

RS(T ) = RS(TNOM) · [1 + TRS1(T − TNOM) + TRS2(T − TNOM)2] (10)

kde TRS1 je lineární teplotní koeficient a TRS2 je kvadratický teplotní koeficient.Teplotní závislost šířky zakázaného pásu pro SiC je definována vztahem (11).

EG(T ) = EG(300K)− 3,3 · 10−3 · (T − 300K) (11)

6.1.4 Úprava modeluDo modelu byly přidány podle [25] teplotní závislosti průrazného napětí vztah (12) aproudu při průrazu vztah (13).

BV (T ) = BV (TNOM) · [1 + TBV 1(T − TNOM) + TBV 2(T − TNOM)2] (12)IBV (T ) = IBV (TNOM) · [1 + TIBV 1(T − TNOM) + TIBV 2(T − TNOM)2](13)

kde TBV 1 a TBV 2 resp. TIBV 1 a TIBV 2 je lineární a kvadratický koeficient teplotnízávislosti průrazného napětí, resp. proudu při průrazu.

Pro modelování závěrné charakteristiky byl do modelu podle [26] přidán efekt snižo-vání Schottkyho bariéry pomocí koeficientu KLOW (14).

KLOW = e

(klow ·

4√|U|pTj

)(14)

34

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Implementace a kalibrace modelu

Teplotní závislost saturačního proudu pro závěrnou charakteristiku nešla dobře apro-ximovat vztahem (8), a proto byla navržena jiná aproximace pomocí vztahu (15).

ISZ(T ) = ISZ(TNOM) · [1 + TISZ1(T − TNOM) + TISZ2(T − TNOM)2] (15)

6.1.5 Vliv neutronového záření

Z analýzy v kapitole 5, byly určeny následující závislosti pro implementaci do SPICEmodelu. Vztah (16) představuje závislost emisního koeficientu na obdržené dávce avztah (17) představuje závislost sériové vodivosti diody na obdržené dávce.

n(φ) = n0 +Kn · φ (16)

1/Rs(φ) = 1/Rs0 −Ks · φ (17)

Jiné významné parametry SPICE modelu, které by neutronové záření ovlivňovalo,nebyly identifikovány.

6.2 Implementace a kalibrace modelu

Použitý model z [22–24] byl implementován v simulačním softwaru Cadence PSPICE.

GDIODE

1/Grev

RsA KMID

Obrázek 6.2. SPICE model MPS diody.

Na Obr. 6.2 je obvodové schéma zapojení SPICE modelu diody. Zdroj GDIODE jenapětím řízený zdroj proudu. Rs je sériový odpor diody a Grev je paralelní vodivost,která pomáhá ke konvergenci řešení v oblasti nulového napětí a zajišťuje hladký přechodz propustné polarizace do závěrné a opačně.

Proud zdroje GDIODE je definován jako součet proudu pro propustnou a závěrnoupolarizaci. Každý z těchto proudů je definován pomocí vztahů uvedených výše. Přiimplementaci jednotlivých vztahů je třeba zvolit správně znaménko podle toho, zdapopisujeme proud pro propustnou nebo závěrnou polarizaci. V Tab. 6.1 jsou uvedeny apopsány všechny parametry SPICE modelu diody, které je třeba před použitím modeludefinovat.

35

6. SPICE model MPS diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Parametr Popis Hodnota

Propustná charakteristikaISR [A] Saturační proud pro oblast rekombinace 6.813E-16NR [-] Emisní koeficient pro oblast rekombinace 1.019Res [Ω] Sériový odpor 0.108

Závěrná charakteristikaKlow [K/V−p/4] Koeficient snižování Schottkyho bariéry 441

p [-] Koeficient snižování Schottkyho bariéry 1ISZ [A] Saturační proud pro oblast závěrné polarizace 1.26E-13

NZ Emisní koeficient pro oblast závěrné polarizace 9732BV [V] Průrazné napětí 2110.7IBV [A] Proud při průrazném napětí 2.05E-5NBV [-] Emisní koeficient v oblasti průrazného napětí 0.2

GREV [S] Paralelní vodivost 2.5E-12Teplotní závislost

T [C] Teplota při simulaci undefTnom [C] Teplota, pro kterou byly určeny parametry modelu 27XTIR [-] Teplotní závislost ISR 5.276

TRS1 [C−1] Lineární teplotní koeficient Res 0.00493TRS2 [C−2 ] Kvadratický teplotní koeficient Res 7.8156E-5TN1 [C−1] Lineární teplotní koeficient NR -1.071E-4TN2 [C−2] Kvadratický teplotní koeficient NR -1.107E-5TNZ1 [C−1] Lineární teplotní koeficient NZ -0.00477TNZ2 [C−2] Kvadratický teplotní koeficient NZ 1.05E-5TISZ1 [C−1] Lineární teplotní koeficient ISZ 0.0357TISZ2 [C−2] Kvadratický teplotní koeficient ISZ -5.716E-6TBV1 [C−1] Lineární teplotní koeficient BV 3.22E-4TBV2 [C−2] Kvadratický teplotní koeficient BV 1.17E-6TIBV1 [C−1] Lineární teplotní koeficient IBV 0.00775TIBV2 [C−2] Kvadratický teplotní koeficient IBV 3.42E-5

Neutronové zářeníF [1/cm2] Fluence neutronového záření undef

Ks [cm2/Ω] Koeficient poklesu sériové vodivosti 1/Res 9.963E-14Kn [cm2] Koeficient nárůstu emisního koeficientu 3.1617E-16

Tabulka 6.1. Popis a hodnoty parametrů SPICE modelu diody.

Výpis implementace PSPICE modelu MPS diody C2D05120A

.SUBCKT SiCSchottkyENH A K

.PARAM:

36

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Implementace a kalibrace modelu

****Temp**********+ T=27,+ TNOM=27,+ XTIR=5.276,+ EG=1.26,+ TRS1=0.00493,+ TRS2=7.8156E-5,+ TN1=-1.071E-4,+ TN2=-1.107E-5,+ TNZ1=-0.00477,+ TNZ2=1.05E-5,+ TISZ1=0.0357,+ TISZ2=-5.716E-6,+ TBV1=3.22E-4,+ TBV2=1.17E-6,+ TIBV1=0.00775,+ TIBV2=3.42E-5

****DC forward****+ ISR=6.813E-16,+ NR=1.019,+ Res=0.108

****DC reverse****+ Klow=441+ p=1+ ISZ=1.26E-13,+ NZ=9732,+ NBV=0.2,+ BV=2110.7,+ IBV=2.05E-5,+ GREV=2.5E-12

******************+ q=1.602E-019,+ k=1.38E-023,+ Vt=(k*(T+273))/q,

****Neutrons******+ F=3.20E+13,+ Ks=9.963E-14,+ Kn=3.1617E-16,+ GS LIMIT((1/RS(T)-Ks*F),2.5E-6,1000),+ NRN NRT(T)+Kn*F

*** TEMP FWD ***.FUNC EG_T(T) EG-3.3*0.001*((T+273)-300).FUNC NRT(T) NR*(1+TN1*(T-TNOM)+TN2*(T-TNOM)*(T-TNOM)).FUNC ISRT(T) ISR*pwr(T/TNOM,XTIR/NRT(T))*exp((T/TNOM-1)*(EG_T(T)+/NRT(T)*Vt)).FUNC RS(T) Res*(1+TRS1*(T-TNOM)+TRS2*(T-TNOM)*(T-TNOM))

*** TEMP REV ***

37

6. SPICE model MPS diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.FUNC NZT(T) NZ*(1+TNZ1*(T-TNOM)+TNZ2*(T-TNOM)*(T-TNOM))

.FUNC ISZT(T) ISZ*(1+TISZ1*(T-TNOM)+TISZ2*(T-TNOM)*(T-TNOM))

.FUNC BVT(T) BV*(1+TBV1*(T-TNOM)+TBV2*(T-TNOM)*(T-TNOM))

.FUNC IBVT(T) IBV*(1+TIBV1*(T-TNOM)+TIBV2*(T-TNOM)*(T-TNOM))

*** DC forward ***.FUNC IRec(V) ISRT(T)*(exp(V/(NRN*Vt))-1)

**.FUNC Idf(V) IRec(V)

*** DC reverse ***.FUNC IZ(V) -(ISZT(T)*(exp(-(V)/(NZT(T)*Vt))-1))*exp(Klow*PWR(PWR(+abs(V),p),1/4)/(273+T)).FUNC IBD(V) -IBVT(T)*(exp(-(V+BVT(T))/NBV*Vt)-exp(-BVT(T)/NBV*Vt))

**.FUNC Idr(V) IZ(V)+IBD(V)

GDIODE A MID VALUE=Idf(V(A,MID))+Idr(V(A,MID))Rs MID K 1/GSRrev A MID 1/GREV

.ENDS

a) b)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,80

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

simulovanezmerene

125°C

75°C

I F[A]

UF[V]

27°C

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

10f

100f

1p

10p

100p

1n

10n

100n

1µ

10µ

100µ

1m

10m

100m

1

10

simulovanezmerene

125°C

75°C

I F[A]

UF[V]

27°C

Obrázek 6.3. Porovnání naměřených a simulovaných propustných charakteristik a) v ob-lasti nízké injekce, b) v oblasti vysoké injekce.

Na Obr. 6.3 je porovnání změřených charakteristik v oblasti nízké a vysoké injekce. Zgrafů je vidět dobrá shoda jednotlivých simulovaných charakteristik s naměřenými daty.Charakteristiky byly simulovány pro parametr T = [27,75,125], takže i teplotní závislostjednotlivých parametrů jsou v dobré shodě se skutečnými teplotními závislostmi.

Na Obr. 6.4 je porovnání změřených a simulovaných charakteristik v oblasti níz-kých závěrných napětí a v oblasti průrazu. V oblasti průrazu je vidět poměrně dobrá

38

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Simulace

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

10µ

20µ

30µ

40µ

50µ

simulovanezmerene

75°C27°C

I R[A

]

UR

[V]

125°C

a) b)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

1p

10p

100p

1n

10n

100n

1µ

10µ

100µ

simulovanezmereneDUSPICEUmodel

75°C27°C

I R[A

]

UR

[V]

125°C

Obrázek 6.4. Porovnání naměřených a simulovaných závěrných charakteristik a) v oblastinízkých závěrných napětí, b) v oblasti průrazu.

shoda s naměřenými charakteristikami. I teplotní závislost průrazného napětí je v dobréshodě s naměřenými daty. V oblasti nízkých závěrných napětí se charakteristiky přílišneshodují, ale např. v porovnání se standardním SPICE modelem (čárkovaně), kterýbyl navržen tak, aby se charakteristiky shodovaly v oblasti kolem 300V je aproximacenavrženým modelem mnohem lepší. Se standardním SPICE modelem, nelze dosáhnoutpožadovaného sklonu.

0 , 0 0 0 , 2 5 0 , 5 0 0 , 7 5 1 , 0 0 1 , 2 5 1 , 5 0 1 , 7 5 2 , 0 0 2 , 2 50123456789

1 01 1

I F [A]

U F [ V ]

0 6 , 4 6 E + 1 2 3 , 2 0 E + 1 3 8 , 0 4 E + 1 3

P a r a m e t r F :

T e p l o t a = 2 7 ° C

Obrázek 6.5. Úkázka simulovaných propustných charakteristik pro různé hodnoty para-metru F - SPICE modelu.

Na Obr. 6.5 je porovnání simulovaných propustných charakteristik pro různé hodnotyparametru F, který představuje obdrženou dávku.

6.3 SimulacePro ukázku činnosti diody v prostředí se zvýšenou úrovní neutronové radiace byl vybránjednocestný diodový usměrňovač. Usměrňovač byl buzen sinusovým signálem o efektivní

39

6. SPICE model MPS diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .hodnotě 230V a frekvenci 50Hz, tzn. standardní rozvodní síť nízkého napětí, a zatíženodporovou zátěží o velikosti 57.5Ω, což znamená, že střední hodnota výkonu na zátěživ případě ideálního spínače na místo diody je cca 456,42W. Na Obr. 6.6 je schémazapojení usměrňovače.

0

D1

SiCSchottky

R157.5

V1

FREQ = 50VAMPL = 325VOFF = 0

AC = 0

Obrázek 6.6. Schéma zapojení usměrňovače.

0 , 0 0 0 , 0 1 0 , 0 2 0 , 0 3 0 , 0 4 0 , 0 5 0 , 0 605

1 01 52 02 53 03 54 04 5

P D [W]

c a s [ s ]

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 3 , 2 0 E + 1 3 8 , 0 4 E + 1 3

Obrázek 6.7. Výkonová ztráta na diodě pro různé dávky ozáření.

Na Obr. 6.7 jsou zobrazeny okamžité ztráty na diodě pro různé dávky ozáření. Zesimulovaných dat je patrné, že ztráta na diodě roste tak rychle, jak klesá vodivostepitaxní vrstvy.

40

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Simulace

Na Obr. 6.8 jsou zobrazeny úbytky napětí na diodě pro různé dávky ozáření. Úbytekna diodě se pro závěrnou polarizaci s dávkou téměř nemění. Na Obr. 6.9 je zobrazendetail úbytků napětí v propustné polarizaci diody pro různé dávky ozáření. Propustnýúbytek roste tak rychle, jak rychle klesá vodivost epitaxní vrstvy. Ze simulovanýchcharakteristik je zřejmé, že v případě práce usměrňovače v prostředí se zvýšenou ne-utronovou radiací bude klesat účinnost usměrňovače. Pro vysoké dávky bude odpordiody natolik velký, že úbytek v propustné polarizaci začne být srovnatelný s úbytkemv závěrné polarizaci a tím přestane usměrňovač plnit svou funkci.

0 , 0 0 0 , 0 1 0 , 0 2 0 , 0 3 0 , 0 4 0 , 0 5 0 , 0 6- 4 5 0- 4 0 0- 3 5 0- 3 0 0- 2 5 0- 2 0 0- 1 5 0- 1 0 0

- 5 00

U AK [V

]

c a s [ s ]

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 3 , 2 0 E + 1 3 8 , 0 4 E + 1 3

Obrázek 6.8. Úbytky napětí na diodě pro různé dávky ozáření.

0 , 0 2 2 0 , 0 2 4 0 , 0 2 6 0 , 0 2 8- 1

0

1

2

3

4

5

6

U AK [V

]

c a s [ s ]

b e z o z a r e n i 6 , 4 6 E + 1 2 3 , 2 0 E + 1 3 8 , 0 4 E + 1 3

Obrázek 6.9. Úbytky napětí na diodě pro různé dávky ozáření - detail.

41

Kapitola 7Závěr

V rámci studia vlivu neutronového záření na diody C2D05120A bylo zjištěno, že neutro-nové záření značně negativně ovlivňuje propustné charakteristiky. Nejvýraznější vliv bylzjištěn u sériového odporu diody, který je převážně tvořen odporem epitaxní vrstvy. Znaměřených závislostí poklesu koncentrace volných elektronů a poklesu vodivosti diodyv oblasti vysoké injekce, kde se projevuje hlavně vodivost (odpor) epitaxní vrstvy, bylozjištěno, že pokles vodivosti je způsoben nejen poklesem dotace vlivem deaktivace pří-měsí v epitaxní vrstvě, ale pravděpodobně také poklesem pohyblivosti elektronů. Připorovnání s katalogovými údaji, lze odhadnout, že diody splňují katalogové údaje propropustné charakteristiky, tj. úbytek max. 1,8V/5A (27C), až do dávky B(3,20E+13).U vyšších dávek je již nárůst sériového odporu diody příliš velký.

Z hlediska vlivu neutronového záření na závěrné charakteristiky nebylo zjištěno anipro jednu dávku překročení katalogových údajů. Závěrný proud se s narůstající dávkoutéměř nemění, pouze u vyšších dávek je v oblasti nízkých závěrných napětí patrnýrychlejší nárůst proudu na nominální hodnotu. Vliv neutronů na průrazné napětí sez dostupných vzorků nepodařilo jednoznačně určit, nicméně do dávky C vykazovalyvzorky klesající tendenci průrazného napětí.

Dále byla v rámci této práce popsána a navržena metoda pro dynamické měření sta-tických závěrných charakteristik výkonových součástek (v rámci této práce pro měřenídiod). Navržená metoda poskytuje srovnatelné výsledky jako klasické statické měření,ale za podstatně kratší čas. Metoda se hodí pro rychlé charakterizace výkonových sou-částek, kde není vyžadována velká přesnost měření. Pro přesná měření je vhodně zvolitstatický režim, který navržená metoda také umožňuje.

Dále byl v rámci zadání práce navržen SPICE model SiC MPS Schottky diodyC2D05120A od společnosti Cree. Navržený model umožňuje přesně modelovat pro-pustné charakteristiky studované diody a v porovnání s klasickým SPICE modelem,nabízí mnohem lepší shodu simulovaných a změřených dat v oblasti závěrných charak-teristik. Model diody má implementovány i teplotní závislosti a také umožňuje simulacivlivu neutronového záření zadáním parametru F (fluence) v modelu.

42

Literatura[1] Stephen E. Saddow and Anant K. Agarwal. Advances in Silicon Carbide Processing

and Applications. Artech House, 1st edition, 2004.[2] Ioffe Physical Technical Institute. Physical properties of semiconductors - SiC.http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/index.html.

[3] Robert Perret. Power Electronics Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, 1stedition, 2010.

[4] Helmuth Spieler. Introduction to Radiation-Resistant Semiconductor Devices andCircuits. Lawrence Berkeley National Laboratory, 1996.http://www-physics.lbl.gov/~spieler/radiation_effects/rad_tutor.pdf.

[5] Z. Doležal. Polovodičové detektory v jaderné a subjaderné fyzice - Text k přednášceJSF101p1a. Karlova Univerzita, 2007.http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~dolezal/teach/semicon.

[6] C. Clayes and E. Simoen. Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materialsand Devices. Springer, 1st edition, 2002.

[7] K. Iniewski. Radiation Effects in Semiconductors. CRC Press, 1st edition, 2011.[8] Mrinal K. Dasa, Brett A. Hull, James T. Richmond, Bradley Heath, Joseph J.

Sumakeris, and Adrian R. Powell. Ultra high power 10 kv, 50 a SiC PiN diodes.IEEE, 2005.

[9] Nam-Oh Kim, Wan-Ki Min, Kyung-Min Sung, Kuzama Suzuki, Yasonuri Tanaka,and Hiromichi Ohashi. Electric and physical chacteritics of a SiC-PiN Diode forhigh-power devices. IEEE, 2008.

[10] J. Lutz, H. Schlangenotto, U. Scheuermann, and R. De Doncker. SemiconductorPower Devices. Springer, 1st edition, 2011.

[11] Seong-Jin Kim, Dong-Ju Oh, Soon-Jae Yu, and Yong-Deuk Woo. Breakdownvoltage characteristics of sic schottky barrier diode with aluminum deposition edgetermination structure. IEEE, 2006.

[12] Cree, Inc. Cpw3-1700-s025b datasheet, 2010.http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/CPW31700S025B.

pdf.[13] P. Alexandrova, W. Wrighta, M. Pana, M. Weinera, L. Jiaob, and J.H Zhao. De-

monstration of high voltage (600- 1300 V), high current (10-140 A), fast recovery4H-SiC p-i-n/schottky(MPS) barrier diodes. Solid-State Electronics, 2003.

[14] Cree, Inc. C2m0080120d, 2013.http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/C2M0080120D.pdf.

[15] Benda V. A0m13mkv - přednášky, 2012.[16] W. Bergner, F. Bjoerk, D. Domes, and G. Deboy. Infineon 1200v SiC JFET - the

new way of efficient and reliable high voltages switching. Infineon, 2011.[17] K. Ishikawa, H. Onose, Y. Onose, T. Ooyanagi, T. Someya, N. Yokoyama, and

H. Hozouji. Normally-off SiC-JFET inverter with low-voltage control and a high-speed drive circuit. IEEE, 2007.

43

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .[18] F. Nava, A. Castaldini, A. Cavallini, P. Errani, and V. Cindro. Radiation de-

tection properties of 4H-SiC schottky diodes irradiated up to 1016 n/cm2 by 1MeV neutrons. IEEE, 2006.

[19] Hui Zhang, Leon M. Tolbert, and Burak Ozpineci. System modeling and charac-terization of sic schottky power diodes. IEEE, 2006.

[20] J. A. Kulisek. The Effects of Nuclear Radiation on Schottky Power Diodes andPower MOSFETs. PhD thesis, The Ohio State University, 2010.

[21] F. Barry McLean, James M. McGarrity, Charles J. Scozzie, C. Wesley Tipton,and W. Merle DeLancey. Analysis of neutron damage in high-temperature siliconcarbide jfets. IEEE, 1994.

[22] H. Alan Mantooth and Jeffrey L. Duliere. Unified diode model for circuit simu-lation. IEEE, 1997.

[23] H. Alan Mantooth, Jeffrey L. Duliere, and R. Glenn Perry. A systematic approachto power diode characterization and model validation. IEEE, 1995.

[24] Ty R. McNutt, Jr. Allen R. Hefner, H. Alan Mantooth, Jeffrey L. Duliere, David W.Berning, and Ranbir Singh. Silicon carbide pin and merged pin schottky powerdiode models implemented in the saber circuit simulator. IEEE, 2004.

[25] Cadence. Pspice a/d reference guide, 2012.[26] J. Dabrowski and J. Zarebski. Silicon power schottky diodes model implemented

in spice. IEEE, 2008.

44

Příloha AZadání práce

45

Příloha BKatalogový list C2D05120A

1

bat

ashee

t67Ub

xWPUx

Rev

Bb

C2D05120A–SiliconsCarbidesSchottkysDiode

Ze r o r e c o v e r y® Rec t if ie RVRRM<rPUxxrV

IF <rWrJ

Qc <rUGrn7

Features

•r PUxxIVoltrSchottkyrRectif er•r ZerorReverserRecoveryr7urrent•r Zeror/orwardrRecoveryrVoltage•r HighI/requencyrOperation•r TemperatureIIndependentrSwitchingr+ehavior•r jxtremelyr/astrSwitching•r PositiverTemperaturer7oeff cientronrV/

Benef ts

•r Replacer+ipolarrwithrUnipolarrRectif ers•r jssentiallyrNorSwitchingrLosses•r Higherrjff ciency•r ReductionrofrHeatrSinkrRequirements•r ParallelrbevicesrWithoutrThermalrRunaway

Applications

•r SwitchrModerPowerrSuppliesr r•r Powerr/actorr7orrection•r Motorrbrives•r HighrVoltagerMultipliers

Package

rrrrrTOIUUxIU

MaximumsRatings

Symbol Parameter Value Unit TestsConditions Note

VRRM RepetitiverPeakrReverserVoltage PUxx V

VRSM SurgerPeakrReverserVoltage PUxx V

Vb7 b7r+lockingrVoltage PUxx V

I/qJVGO Jverager/orwardr7urrent WPx J T7<PMx˚7mrb7

T7<PUW˚7mrb7

I/qPjJKO Peakr/orwardr7urrent PW J T7<PUW˚7mrTRjPKPmSmrbuty<xBW

I/RM RepetitiverPeakr/orwardrSurger7urrent Nx J T7<UW˚7mrtP<PxrmsmrHalfrSinerWave

I/SM NonIRepetitiverPeakr/orwardrSurger7urrent Pxx J T7<UW˚7mrtP<PxrµsmrPulse

Ptot Powerrbissipation PNMLW W T7<UW˚7

T7<PUW˚7

TJrmrTstg OperatingrJunctionrandrStoragerTemperature IWWrtorTP(W ˚7

TOIUUxrMountingrTorque PGBG

NmlbfIin

MNrScrewMINUrScrew

PartsNumber Package Marking

7UbxWPUxJ TOIUUxIU 7UbxWPUx

47

B Katalogový list C2D05120A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 CmDNW:mNsRevHsD

ElectricalvCharacteristics

Symbol Parameter Typ. Max. Unit TestvConditions Note

VF ForwardsVoltage :H)mH)

:H8jHN V IF =sWsAs TJ=mW°C

IF =sWsAs TJ=:7W°C

IR ReversesCurrent WN:NN

mNN:NNN µA VR =s:mNNsVs TJ=mW°C

VR =s:mNNsVs TJ=:7W°C

QC TotalsCapacitivesCharge m8 nCVRs=s:mNNsVfsIF =sWsAdizdt =sWNNsAzµsTJ =smW°C

C TotalsCapacitanceyWWyWjj

pFVRs=sNsVfsTJs=smW°Cfsfs=s:sMHzVRs=smNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHzVRs=syNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHz

Note::Hs ThississasmajorityscarriersdiodefssostheresissnosreversesrecoveryschargeH

ThermalvCharacteristics

Symbol Parameter Typ. Unit

RθJC ThermalsResistancesfromsJunctionstosCase :H: °CzW

TypicalvPerformance

Figures:HsForwardsCharacteristics FiguresmHsReversesCharacteristics

mNN

:8N

:)N

:yN

:mN

:NN

8N

)N

yN

mN

N

VRvReversevVoltagevwV,

I RvR

evers

evC

urr

en

tvwμ

A)

Ns WNNs :NNNs :WNNs

VFvForwardvVoltagevwV,

I FFo

rward

vCu

rren

tvwA

)

mN

:8

:)

:y

:m

:N

8

)

y

m

NNs :HNs mHNs jHNs yHNs WHN

48

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 CmDNW:mNsRevHsD

ElectricalvCharacteristics

Symbol Parameter Typ. Max. Unit TestvConditions Note

VF ForwardsVoltage :H)mH)

:H8jHN V IF =sWsAs TJ=mW°C

IF =sWsAs TJ=:7W°C

IR ReversesCurrent WN:NN

mNN:NNN µA VR =s:mNNsVs TJ=mW°C

VR =s:mNNsVs TJ=:7W°C

QC TotalsCapacitivesCharge m8 nCVRs=s:mNNsVfsIF =sWsAdizdt =sWNNsAzµsTJ =smW°C

C TotalsCapacitanceyWWyWjj

pFVRs=sNsVfsTJs=smW°Cfsfs=s:sMHzVRs=smNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHzVRs=syNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHz

Note::Hs ThississasmajorityscarriersdiodefssostheresissnosreversesrecoveryschargeH

ThermalvCharacteristics

Symbol Parameter Typ. Unit

RθJC ThermalsResistancesfromsJunctionstosCase :H: °CzW

TypicalvPerformance

Figures:HsForwardsCharacteristics FiguresmHsReversesCharacteristics

mNN

:8N

:)N

:yN

:mN

:NN

8N

)N

yN

mN

N

VRvReversevVoltagevwV,

I RvR

evers

evC

urr

en

tvwμ

A)

Ns WNNs :NNNs :WNNs

VFvForwardvVoltagevwV,

I FFo

rward

vCu

rren

tvwA

)

mN

:8

:)

:y

:m

:N

8

)

y

m

NNs :HNs mHNs jHNs yHNs WHN

49

Příloha CDeska plošného spoje

ART FILM - assembly_TOP

ART FILM - assembly_TOP

JP3

GND

H*

JP11

GATE_IN

H*

U4U6

C19

C20

C17

C15

C16

C18

KATODA4

ANODA4

ANODA2

K2A2

J3

KATO

DA7

R34

J*

J*

KATODA2

TPK7

C25

C26

R56R55

C13GATE5

TPG5

G5- G5+

A4

K4

G7U1

R57

C29

C21

GATE

K7

TPA7

ANOD

A7

P5

C14R5R4

TPA5

A5

A7

P14P3P2P1

R3R2R1

ANODA

ANODA5K5G5

GATE8

TPG8

G8- G8+

P6

KATO

DA6

TPG7

G7-G7+

GATE

7

KATODA5

TPK5

TPK6

ANODA8

TPA8

K8 G8

D6

KATODA

A6

A8

K6

TPA6

ANOD

A6KA

TODA

1

R58

G6

KATODA8

TPK8

K1AN

ODA1

J4

RL

J*

TPG6

G6-G6+

GATE

6A1

P_RL

KATODA3

ANODA3

P_L1

L1

K3

A3

J2

H*

H*

U2

U3

51

C Deska plošného spoje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ART FILM - BOT

ART FILM - BOT

J*

J*

J*

ART FILM - TOP

ART FILM - TOP

JP3

GND

H*

JP11

GATE_IN

IR_v03

H*

U4U6

C19

C20

C17

C15

C16

C18

KATODA4

ANODA4

ANODA2

K2A2

J3

TOP

TOP

KATO

DA7

R34

J*

J*

KATODA2TPK7

C25

C26

R56R55

C13GATE5

TPG5

G5- G5+

A4

K4

G7U1

R57

C29

C21

GATE

K7

TPA7

ANOD

A7

P5

C14R5R4

TPA5

A5

A7

P14P3P2P1

R3R2R1

ANODA

ANODA5K5G5

GATE8

TPG8

G8- G8+

P6

KATO

DA6

TPG7

G7-G7+

GATE

7KATODA5

TPK5

TPK6

ANODA8

TPA8

K8 G8

D6

KATODA

A6

A8

K6

TPA6

ANOD

A6KA

TODA

1

R58

G6

KATODA8

TPK8

TOP

K1AN

ODA1

J4

RL

J*

TPG6

G6-G6+

GATE

6A1

P_RL

KATODA3

ANODA3

P_L1

L1

K3

A3

J2

H*

H*

U2

U3

52

Příloha DObsah přiloženého CD

./doc - Text diplomové práce ve formátu pdf, obrázky a zdrojové soubory ve formátuplainTex./neutrony-data - Naměřená data./SPICE-model -Implementovaný SPICE model ve formátu podobvodu (SUBCKT)

53