Ин таҳқиқот сохтори нави MOSFET-и асимметрии хандақдори карбиди кремнийро меомӯзад, ки транзистори майдонии пайванди одатан пӯшида (junction field-effect transistor, JFET) ва ду канали параллелии интиқоли пешро дар як ҳуҷайра муттаҳид мекунад. Сохторе, ки IJDC-ATMOS ном гирифтааст, бо истифода аз симулятсияҳои ададии дастгоҳи Sentaurus TCAD бо MOSFET-и анъанавии асимметрии хандақдор C-ATMOS муқоиса шудааст. Дар натиҷаҳои симулятсия муқовимати махсуси гузарониши IJDC-ATMOS аз 2,49 mΩ·cm² ба 1,69 mΩ·cm², шиддати оғози гузариши баръакс аз 2,82 V ба 1,76 V ва талафоти умумии коммутатсионӣ аз 4,27 mJ/cm² ба 2,26 mJ/cm² коҳиш ёфтааст. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот танҳо ба симулятсияи ададӣ асос ёфтааст; истеҳсоли дастгоҳи воқеӣ, ченкунии барқӣ, санҷиши дарозмуддати эътимоднокӣ ё тасдиқ дар табдилдиҳандаи воқеии қувва иҷро нашудааст.

Хусусияти асосии сохтори пешниҳодшуда дар гузариши пеш он аст, ки канали якуми Ch1 дар девори паҳлуии хандақ ва канали дуюми ҳамвори Ch2 дар зери хандақ ҳамзамон кушода шуда, барои электронҳо ду роҳи параллелӣ ташкил медиҳанд. Дар гузариши баръакс бошад, канали одатан пӯшидаи JFET роҳи ҷараёни якқутбиро таъмин мекунад, ки пеш аз диоди паразитии бадан кушода мешавад. Тибқи симулятсияҳои муаллифон, ин механизм тазриқи сӯрохҳоро дар диоди бадан ва хатари деградатсияи биполярии вобаста ба онро пахш карда, ҳамзамон заряди барқароршавии баръаксро низ кам мекунад.

Аз нигоҳи Туркия: Ин таҳқиқот метавонад барои корҳои тадқиқотӣ ва тарроҳии Туркия дар соҳаи нимноқилҳои қувваи SiC, ки барои электроникаи қувваи нақлиёти барқӣ, табдилдиҳандаҳои энергияи барқароршаванда, гардонандаҳои саноатӣ, электроникаи ҳавонавардӣ ва системаҳои коммутатсияи баландшиддат таҳия мешаванд, намунаи методӣ пешниҳод кунад. Барои арзёбии татбиқпазирии сохтор дар Туркия моделҳои маҳаллии TCAD бояд бо параметрҳои мавод ва интерфейс калибр карда шаванд, таҳлили истеҳсолпазирӣ анҷом дода шавад, дастгоҳҳои воқеии 4H-SiC истеҳсол шаванд, ченкуниҳои статикӣ ва динамикии барқӣ такрор карда шаванд ва озмоишҳои ҳарорати баланду эътимоднокии дарозмуддат иҷро гарданд. Аз ин таҳқиқот хулоса баровардан мумкин нест, ки дар Туркия истеҳсоли силсилавӣ имконпазир аст, бартарии арзиш ба даст меояд, сертификатсияҳои автомобилӣ ё ҳавонавардӣ иҷро мешаванд ё дар табдилдиҳандаҳои воқеӣ ҳамон коҳиши талафот мустақиман ба даст меояд.

Масъалаи асосии таҳқиқот чист?

MOSFET-ҳои карбиди кремний (silicon carbide, SiC) калидҳои нимноқилии қувва мебошанд, ки бо сабаби муқовимати пасти гузаронӣ ва хусусиятҳои коммутатсияи зуд дар электроникаи қувваи баландшиддат арзёбӣ мешаванд. Аммо беҳтар кардани муқовимати гузариши пеш, рафтори гузариши баръакс, талафоти коммутатсионӣ, шиддати шикаст ва эътимоднокии оксиди дарвоза дар як ҳуҷайраи SiC MOSFET ҳамзамон осон нест. Тағйироти геометрие, ки як хусусиятро беҳтар мекунад, метавонад нишондиҳандаи дигари фаъолиятро бад кунад.

Дар сохтори анъанавии MOSFET-и асимметрии хандақдор, поёни дарвозаи хандақ ва қисми зиёди деворҳои паҳлуӣ бо P-чоҳи сахт легиршуда муҳофизат мешаванд. Ин P-чоҳ майдони электрикиеро, ки дар кунҷҳои хандақ дар шиддати баланд ба вуҷуд меояд, маҳдуд карда, оксиди дарвозаро муҳофизат мекунад. Аммо азбаски P-чоҳи муҳофизатӣ роҳи гузаронишро дар як тарафи ҳуҷайра мебандад, дар гузариши пеш танҳо як канали MOS дар девори паҳлуии хандақ истифода мешавад. Ин ҳолат метавонад муқовимати махсуси гузаронишро зиёд кунад.

Масъалаи дуюм интиқоли ҷараёни баръакс аст. Ҳангоме ки MOSFET дар системаҳои монанди инвертори сефаза дар минтақаи сеюм кор мекунад, ҷараён метавонад ба самти баръакс ҷорӣ шавад. Дар сохтори анъанавӣ ин ҷараён аз диоди бадан мегузарад, ки аз сабаби минтақаи мамнӯи васеи SiC дар шиддати нисбатан баланд кушода мешавад. Вақте ки диоди бадан ба таври биполярӣ кор мекунад, ба минтақаи drift сӯрохҳо тазриқ мешаванд. Муаллифон ин равандро аз нигоҳи фаъолияти дарозмуддат ва устуворӣ бо хатари деградатсияи биполярӣ мепайванданд.

Саволи таҳқиқот чунин аст: оё ҷойгир кардани ду канали параллелии MOS барои самти пеш ва канали одатан пӯшидаи JFET барои самти баръакс, ки пеш аз диоди бадан кушода мешавад, дар як ҳуҷайраи асимметрии хандақдор метавонад муқовимати гузаронӣ, шиддати гузариши баръакс, рафтори барқароршавии баръакс ва талафоти коммутатсиониро бе коҳиш додани қобилияти блоккунонӣ беҳтар кунад?

Холигии тарроҳие, ки дар адабиёт ҳадаф гирифта шудааст

Дар таҳқиқот роҳҳалҳои асосии қаблан истифодашуда барои гузариши баръакс чунин номбар мешаванд: диоди берунии монеаи Schottky, диоди монолитии монеаи Schottky, сохтори Schottky-и монеаи пайванд, диоди гетеропайванд ва диоди канали MOS. Қайд мешавад, ки диодҳои берунӣ метавонанд индуктивият ва иқтидори паразитии иловагӣ эҷод кунанд, контактҳои Schottky дар ҳарорати баланд ҷараёни ихроҷро зиёд кунанд, истеҳсоли контактҳои гетеропайванд душвор бошад ва диодҳои канали MOS бо монеаи паст аз сабаби талаботи оксиди тунуки дарвоза ба шикасти барвақт осебпазир бошанд.

Дар равиши пешниҳодшуда барои ҷараёни баръакс канали JFET истифода мешавад, ки ба оксиди дарвоза такя намекунад. Муҳаққиқон ҳадаф гузоштаанд, ки ин канал дар шиддати пасти баръакс кушода шавад, вале ҳангоми гузариши пеш ва блоккунонӣ пӯшида монад. Канали дуюми MOS дар ҳамон ҳуҷайра бошад, дар самти пеш роҳи иловагии электронӣ ташкил карда, ҳамзамон барои кам кардани майдони ҳампӯшии дарвоза ва дрен тарҳрезӣ шудааст.

Сохтори IJDC-ATMOS аз сохтори анъанавӣ чӣ фарқ дорад?

Расми 1 буришҳои IJDC-ATMOS-и пешниҳодшуда ва C-ATMOS-и анъанавиро муқоиса мекунад. Ҳар ду сохтор минтақаи N-drift бо ғафсии 11 µm, субстрати навъи N, металли дрен, P-чоҳҳо, қабати паҳнкунандаи ҷараёни навъи N ва дарвозаи хандақ доранд. Қадами ҳуҷайра дар ҳар ду дастгоҳ 3,2 µm, умқи хандақ 1,0 µm ва ғафсии оксиди дарвоза 50 nm моделсозӣ шудааст.

Дар C-ATMOS канали гузариши пеш аз канали Ch1 дар девори паҳлуии хандақи дарвоза иборат аст. Дар IJDC-ATMOS ба ин канал канали Ch2 бо дарозии 0,3 µm дар минтақаи ҳамвори дарвозаи зери хандақ илова шудааст. Ch1 ва Ch2 ҳангоми гузариши пеш параллел пайваст мешаванд.

Дар тарафи муқобили сохтори пешниҳодшуда JFET-и N-каналии одатан пӯшида ташкил шудааст. Минтақаи JFET аз минтақаи сатҳии P⁺, P-чоҳҳо ва қабати паҳнкунандаи ҷараёни навъи N байни онҳо иборат аст. Металли манбаъ бо минтақаи сатҳии P⁺ ва P-чоҳи поёнӣ тамос гирифта, мисли электроди идоракунии JFET амал мекунад.

Ду канали гузариши пеш чӣ гуна кор мекунанд?

Дар минтақаи якум, яъне зери шиддати мусбати дрен-манбаъ ва шиддати мусбати дарвоза-манбаъ, Ch1 ва Ch2 якҷоя кушода мешаванд. Электронҳо метавонанд на танҳо аз Ch1 дар девори паҳлуии хандақ, балки аз Ch2-и ҳамвор дар зери хандақ низ ҷорӣ шаванд. Кори параллелии ду канал роҳи умумии гузаронишро васеъ карда, муқовимати махсуси гузаронишро кам мекунад.

Вазифаи дуюми Ch2 кам кардани майдони самараноки ҳампӯшии минтақаҳои дарвоза ва дрен аст. Ин тағйироти геометрӣ иқтидори дарвоза-дрен ва заряди дарвоза-дренро, ки бо минтақаи Miller алоқаманд аст, кам мекунад. Заряди камтари дарвоза-дрен ба он равона шудааст, ки шиддати дарвоза ҳангоми коммутатсия дар платои Miller муддати кӯтоҳтар бимонад ва коммутатсия зудтар анҷом ёбад.

JFET-и одатан пӯшида роҳи гузариши баръаксро чӣ гуна ташкил мекунад?

Канали JFET бо ду қисм — уфуқӣ ва амудӣ — тавсиф шудааст. Канали уфуқӣ дар қабати паҳнкунандаи ҷараён байни минтақаи P⁺ ва P-чоҳ, канали амудӣ бошад байни P-чоҳҳои ҳамсоя ташкил мешавад. Пайвандҳои PN дар ин минтақаҳо қабати навъи N-и байниро бо минтақаи камбизоатшавӣ танг карда, монеаи энергетикии минтақаи гузаронишро ба вуҷуд меоранд.

Ҳангоми гузариши пеш ва блоккунонии пеш ин монеаи энергетикӣ канали JFET-ро дар ҳолати фишурдашуда нигоҳ медорад. Ҳамин тавр JFET ба кори муқаррарии пеши ду канали MOS роҳи ихроҷ ё ҷараёни параллелии иловагӣ эҷод намекунад.

Дар минтақаи сеюм, вақте ки шароити манфии дарвоза-манбаъ ва баръакси дрен-манбаъ татбиқ мешавад, минтақаи камбизоатшавӣ танг мешавад, монеаи минтақаи гузарониш поён меравад ва аз қабати паҳнкунандаи ҷараёни навъи N то минтақаи манбаи N⁺ роҳи якқутбии пайвастаи электронӣ кушода мешавад. Азбаски мақсад ин аст, ки JFET дар шиддати пасттар аз диоди бадан кушода шавад, ҷараёни баръакс аввал тавассути JFET интиқол меёбад.

Харитаҳои сеченакаи энергияи минтақаи гузарониш дар Расми 2 ин механизмро нишон медиҳанд. Дар шароити гузариши пеш, вақте V_DS = 10 V ва V_GS = 15 V аст, дар минтақаи JFET монеаи равшани энергетикӣ вуҷуд дорад. Дар гузариши баръакс, вақте V_DS = −5 V ва V_GS = −5 V татбиқ мешавад, монеа то андозае аз байн меравад ва роҳи пайвастаи электронӣ ба вуҷуд меояд.

Чаро паҳнои каналҳои JFET муҳим аст?

Паҳнои канали уфуқӣ W_L ва паҳнои канали амудӣ W_V муайян мекунанд, ки JFET дар кадом шиддати баръакс кушода мешавад ва ҳангоми блоккунонӣ пӯшида мемонад ё не. Агар канал хеле танг бошад, аз сабаби камбизоатшавии қавӣ шиддати оғози гузариши баръакс баланд боқӣ мемонад. Агар канал аз ҳад зиёд васеъ шавад, монеа хеле хурд шуда, дар қутбиши сифрӣ гузариши номатлуб ё шикасти барвақт ба амал омада метавонад.

Дар Расми 3 дида мешавад, ки бо зиёд шудани W_V шиддати оғози гузариши баръакс дар маҷмӯъ кам мешавад. Вақте W_V хурд аст, таъсири тағйири W_L маҳдуд мебошад, зеро кушодашавиро асосан монеаи канали амудӣ муайян мекунад. Вақте W_V калон мешавад, дар канали уфуқӣ низ монеаи равшан ба вуҷуд меояд ва тағйири W_L ба шиддати оғози гузариши баръакс бештар таъсир мерасонад.

Аммо дар ҳамон графикҳо нишон дода мешавад, ки ҳангоми аз ҳад зиёд калон шудани W_L ва W_V шиддати шикаст зуд коҳиш меёбад. Дар матн гуфта шудааст, ки дар ҳолати W_L = 0,60 µm ва W_V = 0,50 µm JFET дар қутбиши сифрӣ ба гузариш медарояд. Аз ин рӯ муҳаққиқон W_L = 0,45 µm ва W_V = 0,50 µm-ро интихоб кардаанд.

Қабати паҳнкунандаи ҷараён чӣ гуна оптимизатсия шудааст?

Паҳнои қабати паҳнкунандаи ҷараён W_CSL ва зичии легиронӣ N_CSL байни муқовимати гузаронӣ ва шиддати шикаст тавозуни дигар ба вуҷуд меоранд. Ҳангоми зиёд шудани N_CSL ё W_CSL минтақаи камбизоатшавие, ки P-минтақаҳо ташкил медиҳанд, танг шуда, фазои гузариши электронҳо васеъ мешавад. Дар натиҷа R_on,sp кам мешавад.

Баръакс, қабати паҳнкунандаи ҷараёни васеътар ва сахттар легиршуда тақсимоти майдони электрикиро дар шиддати баланд тағйир дода, шиддати шикастро паст мекунад. Дар Расми 4 N_CSL дар ҳудуди 1,5×10¹⁶–3,5×10¹⁶ cm⁻³ ва W_CSL дар ҳудуди 0,7–1,1 µm скан шудааст. Муҳаққиқон бо дарназардошти нишондиҳандаи муваффақияти статикӣ N_CSL = 2,5×10¹⁶ cm⁻³ ва W_CSL = 0,9 µm-ро интихоб кардаанд.

Дар модели Sentaurus TCAD кадом таъсирҳои физикӣ ба назар гирифта шудаанд?

Дар таҳқиқот ҳуҷайраҳои пешниҳодшуда ва анъанавӣ дар муҳити Sentaurus TCAD моделсозӣ шудаанд. Қайд шудааст, ки дар симулятсияҳо моделҳои физикии зерин истифода шудаанд:

• Сершавии ҳаракатнокии интиқолдиҳандагон дар майдони электрикии баланд,
• Рекомбинатсияи Auger,
• Ионизатсияи зарбавии Okuto–Crowell,
• Тангшавии минтақаи мамнӯъ,
• Ионизатсияи нопурра,
• Домҳои интерфейси SiC/SiO₂,
• Зарядҳои собит дар интерфейси SiC/SiO₂.

Илова кардани домҳои интерфейс ва зарядҳои собит ба модел ба он равона шудааст, ки аз фарзияи интерфейси идеалии SiC/SiO₂ канорагирӣ шавад. Бо вуҷуди ин, қиматҳои муфассали ададии тақсимоти зичии домҳо ва зарядҳои собит дар таҳқиқот дода нашудаанд. Ин камбудӣ аз ҷониби гурӯҳи дигари тадқиқотӣ барқарор кардани моделро айнан душвор мекунад.

Натиҷаҳои гузариши пеш чӣ нишон медиҳанд?

Дар Расми 5, дар шароити V_GS = 15 V ва I_DS = 200 A/cm², муқовимати махсуси гузаронии C-ATMOS 2,49 mΩ·cm² ва муқовимати махсуси гузаронии IJDC-ATMOS 1,69 mΩ·cm² ҳисоб шудааст. Ҳамин тавр, дар сохтори пешниҳодшуда R_on,sp тақрибан %32,1 коҳиш ёфтааст.

Дар харитаҳои зичии ҷараёни электронӣ, ҷараёни сохтори анъанавӣ танҳо дар атрофи Ch1 мутамарказ мешавад, дар ҳоле ки дар IJDC-ATMOS ду роҳи параллелӣ дар Ch1 ва Ch2 дида мешавад. Дар ҳамин харита нишон дода мешавад, ки минтақаи JFET дар зичии пасти электронӣ мемонад. Ин натиҷа механизми симулятсиониро дастгирӣ мекунад, ки канали JFET ҳангоми гузариши пеш пӯшида мемонад.

Шиддати оғози гузариши баръакс чӣ гуна тағйир ёфт?

Ҳангоми V_GS = −5 V ва бузургии зичии ҷараёни баръакс 50 A/cm², шиддати оғози гузариши баръакси диоди бадани C-ATMOS 2,82 V ҳисоб шудааст. Роҳи JFET-и IJDC-ATMOS бошад дар 1,76 V ба гузариш даромадааст. Фарқи мутлақ 1,06 V ва коҳиши нисбӣ тақрибан %37,6 аст.

Дар Расми 6 дида мешавад, ки дар сохтори анъанавӣ ҷараёни баръакс аз диоди бадан мегузарад, дар IJDC-ATMOS бошад ҷараён тавассути канали JFET ба манбаъ мерасад. Барои IJDC-ATMOS ҳангоми зиёд шудани зичии ҷараёни баръакс аз 50 A/cm² то 300 A/cm² шиддати манбаъ-дрен аз 1,76 V ба 2,66 V афзуда, минтақаи камбизоатшавӣ дар JFET тадриҷан танг шудааст.

Диоди бадан ва деградатсияи биполярӣ чӣ гуна арзёбӣ шуданд?

Дар Расми 7 нишон дода мешавад, ки минтақаи JFET ҳангоми гузариши пеш ва блоккунонии 1200 V дар ҳолати камбизоатшуда мемонад. Вақте зичии ҷараёни баръакс −100 A/cm² аст, дар минтақаи drift-и C-ATMOS-и анъанавӣ зичии баланди сӯрохҳо ба вуҷуд меояд, дар IJDC-ATMOS бошад зичии сӯрохҳо хеле паст мемонад.

Муаллифон ин фарқро ба он вобаста мекунанд, ки диоди бадани C-ATMOS ба таври биполярӣ кушода шуда, ба минтақаи drift сӯрохҳоро тазриқ мекунад. Дар IJDC-ATMOS, азбаски ҷараёни баръакс бо гузариши якқутбии электронӣ тавассути JFET интиқол меёбад, тазриқи сӯрохҳо пахш мешавад.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки дар шароити симулятсия фаъолшавии диоди бадан пахш шудааст. Аммо азбаски дастгоҳи воқеӣ истеҳсол нашудааст ва санҷиши дарозмуддати деградатсияи биполярӣ иҷро нашудааст, ифодаи “деградатсияи биполярӣ бартараф шудааст” набояд ҳамчун натиҷаи таҷрибавии эътимоднокӣ тафсир шавад.

Заряди барқароршавии баръакс то чӣ андоза кам шудааст?

Барқароршавии баръакс раванди гузарандаест, ки ҳангоми иваз шудани қутбиши пайванди нимноқиле, ки ҷараёни пеш ё баръакс мегузаронад, барои хориҷ кардани интиқолдиҳандагони ҷамъшуда лозим мешавад. Ҷараён ва заряди баланди барқароршавии баръакс метавонанд талафоти коммутатсионӣ ва фишори барқиро дар занҷир зиёд кунанд.

Дар Расми 8 барқароршавии баръакс бо истифода аз занҷири дуимпулсии индуктивии фишурдашудаи 600 V симулятсия шудааст. Дар занҷир 5 nH индуктивияти паразитӣ ва 200 µH индуктивияти бор нишон дода шудаанд. IJDC-ATMOS ва C-ATMOS дар шароити ҷараёни бори 100, 200 ва 300 A/cm² муқоиса шудаанд.

Қимати Q_RR-и IJDC-ATMOS бо зиёд шудани ҷараён танҳо аз 1,13 то 1,17 µC/cm² афзудааст. Дар C-ATMOS бошад дар ҳамин диапазон афзоиши равшан аз 2,34 то 4,23 µC/cm² дида шудааст. Каҷҳои зичии сӯрохҳо дар буриш нишон медиҳанд, ки зичии сӯрохҳо дар IJDC-ATMOS аз зичии легиронии минтақаи drift — 6×10¹⁵ cm⁻³ — поён мемонад.

Натиҷаҳои шиддати блоккунӣ ва ҳарорат

Сохтори пешниҳодшуда на танҳо ба муқовимати пасти гузаронӣ, балки дар симулятсия ба шиддати баландтари шикаст низ расидааст. Дар Ҷадвали 2 барои IJDC-ATMOS шиддати шикасти 1610 V ва барои C-ATMOS 1485 V гузориш шудааст. Ҳамин тавр, шиддати шикасти ҳуҷайраи пешниҳодшуда аз сохтори муқоисавӣ тақрибан %8,4 баландтар аст.

Дар Расми 9 каҷҳои блоккунии дастгоҳҳо дар ҳарорати 300 K ва 450 K муқоиса шудаанд. Афзоиши шиддати шикаст бо ҳарорат дар таҳқиқот ҳамчун нишонаи бартарии механизми шикасти лавинавӣ тафсир шудааст. Бо баланд шудани ҳарорат энергияи гармии интиқолдиҳандагон меафзояд ва ҷараёни ихроҷ низ зиёд мешавад.

Матн мегӯяд, ки дар 450 K ҷараёни ихроҷи IJDC-ATMOS асосан аз интиқолдиҳандагоне ба вуҷуд меояд, ки монеаи JFET-ро ба таври гармӣ мегузаранд, ва қимати I_BL аз 1×10⁻⁸ A паст мемонад. Аммо меҳвари амудии Расми 9 зичии ҷараёнро бо воҳиди A/cm² нишон медиҳад. Байни воҳиди ампер дар матн ва воҳиди зичии ҷараён дар график номутобиқати равшани ҳисоботӣ мавҷуд аст.

Майдони электрикӣ дар оксиди дарвоза

Дар шиддати баланд майдони электрикии оксиди дарвоза дар поёни хандақ барои эътимоднокии SiC trench MOSFET параметри муҳим аст. Дар симулятсия, вақте V_DS = 1200 V, майдони қуллаи электрикӣ дар оксиди дарвозаи IJDC-ATMOS 1,27 MV/cm ва барои C-ATMOS 1,92 MV/cm гузориш шудааст.

Дар иловаҳои майдони электрикии Расми 9 қиматҳои маҳаллии баландтари қулла дар минтақаи SiC низ нишон дода шудаанд. Онҳо набояд бо қиматҳои 1,27 ва 1,92 MV/cm дар дохили оксиди дарвоза омехта шаванд. Арзёбии эътимоднокии муаллифон махсусан ба қимати майдони электрикӣ дар оксиди поёни хандақ асос меёбад.

Ин қиматҳо аз тақсимоти ададии майдони электрикӣ гирифта шудаанд. Азбаски дар оксиди дарвоза шикасти диэлектрикии вобаста ба вақт, фишори доимии қутбиши дарвоза ё санҷиши эътимоднокии даврӣ иҷро нашудааст, умри дарози дастгоҳ мустақиман исбот нашудааст.

Иқтидор ва ҳампӯшии дарвоза-дрен

Дар Расми 10 иқтидори вурудии C_iss ва иқтидори баромадии C_oss барои ҳар ду сохтор ба ҳам наздик менамоянд. Фарқи бештар дар иқтидори интиқоли баръакс ё дарвоза-дрен ба вуҷуд омадааст.

Дар V_DS = 800 V қимати C_GD-и IJDC-ATMOS 12,1 pF/cm² ва қимати C-ATMOS 20,9 pF/cm² ҳисоб шудааст. Ин ба коҳиши %42,1 мувофиқ аст. Муҳаққиқон ин коҳишро ба кам шудани майдони ҳампӯшии дарвоза ва дрен дар натиҷаи ҷойгир кардани Ch2 дар поёни хандақ нисбат медиҳанд.

Дар таҳқиқот нишондиҳандаи муваффақияти басомади баланд бар асоси C_GD бо ҳосили зерин ифода шудааст:

\[ HF\text{-}FOM_{C_{GD}} = R_{on,sp} \times C_{GD} \]

Дар ин ҷо R_on,sp муқовимати махсуси гузаронӣ ва C_GD иқтидори дарвоза-дренро ифода мекунад. Қимати паст нишон медиҳад, ки ҳам муқовимати пасти статикӣ ва ҳам бори пасти коммутатсионии иқтидорӣ якҷоя ба даст омадаанд. Барои IJDC-ATMOS ин қимат 20,4 mΩ·pF ва барои C-ATMOS 52,0 mΩ·pF дода шуда, коҳиши %60,8 гузориш шудааст.

Заряди дарвоза-дрен ва платои Miller

Дар Расми 11 қиматҳои Q_GD, ки аз платои Miller-и каҷҳои заряди дарвоза гирифта шудаанд, муқоиса шудаанд. Барои C-ATMOS Q_GD 78,2 nC/cm² ва барои IJDC-ATMOS 52,2 nC/cm² аст. Сохтори пешниҳодшуда заряди дарвоза-дренро %33,2 кам кардааст.

Нишондиҳандаи муваффақияти басомади баланд бар асоси Q_GD чунин дода шудааст:

\[ HF\text{-}FOM_{Q_{GD}} = R_{on,sp} \times Q_{GD} \]

Қимати R_on,sp×Q_GD барои IJDC-ATMOS 88,2 mΩ·nC ва барои C-ATMOS 194,7 mΩ·nC ҳисоб шудааст. Ин фарқ ба коҳиши %54,7 мувофиқ аст.

Талафоти коммутатсионӣ чӣ гуна тағйир ёфт?

Дар Расми 12 гузаришҳои фурӯзоншавӣ ва хомӯшшавӣ дар занҷири дуимпулсӣ муқоиса шудаанд. Заряди пасттари барқароршавии баръакси IJDC-ATMOS ҳампӯшии ҷараён-шиддатро ҳангоми фурӯзоншавӣ кам кардааст; C_GD ва Q_GD-и пасттар бошад вақти хомӯшшавиро кӯтоҳ кардааст.

Талафоти умумии коммутатсионӣ ҳамчун ҷамъбасти талафоти фурӯзоншавӣ ва хомӯшшавӣ дар натиҷаҳои таҳқиқот ифода шудааст:

\[ E_{sw} = E_{on} + E_{off} \]

Барои IJDC-ATMOS 1,52 + 0,74 = 2,26 mJ/cm² ва барои C-ATMOS 3,16 + 1,11 = 4,27 mJ/cm² ба даст меояд.

Муқоисаи умумии сохтори пешниҳодшуда ва анъанавӣ

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот кадоманд?

• Гузариши пеш, гузариши баръакс, блоккунонӣ, иқтидор, заряди дарвоза, барқароршавии баръакс ва рафтори коммутатсионӣ дар як модели дастгоҳ омӯхта шудаанд.
• На танҳо буриши умумии сохтори нав, балки механизми кори он бо харитаҳои минтақаи гузарониш, заряди фазоӣ, ҷараёни электронӣ ва зичии сӯрохҳо нишон дода шудааст.
• Паҳнои каналҳои уфуқӣ ва амудии JFET бо дарназардошти тавозуни байни шиддати оғози гузариши баръакс ва шиддати шикаст скан шудааст.
• Паҳно ва зичии легиронии қабати паҳнкунандаи ҷараён бо таҳлилҳои параметрии ҷудогона оптимизатсия шудаанд.
• Дастгоҳи пешниҳодшуда ва анъанавӣ бо андозаҳои асосии якхелаи ҳуҷайра ва хусусиятҳои минтақаи drift муқоиса шудаанд.
• Домҳои интерфейси SiC/SiO₂ ва зарядҳои собит ба модели симулятсия дохил карда шудаанд.
• Симулятсияҳои дуимпулсӣ ва барқароршавии баръакс натиҷаҳои статикӣро бо нишондиҳандаҳои динамикии коммутатсия пурра кардаанд.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот кадоманд?

• Таҳқиқот пурра ба симулятсияи Sentaurus TCAD асос ёфтааст; IJDC-ATMOS-и воқеӣ истеҳсол нашудааст.
• Натиҷаҳои барқӣ бо ченкуниҳои лабораторӣ тасдиқ нашудаанд.
• Ҷараёни истеҳсол, марҳилаҳои маска, имплантатсияи ионӣ, эпитаксия, оксидшавӣ ва металлизатсияи контакт ба таври муфассал дода нашудаанд.
• Ҳассосияти минтақаи JFET ва канали ҳамвори поёнӣ ба таҳаммулҳои истеҳсолӣ омӯхта нашудааст.
• Қиматҳои домҳои интерфейси SiC/SiO₂ ва зарядҳои собит ба таври муфассал гузориш нашудаанд.
• Шиддати остона, ҳаракатнокии канал ва муқовимати гузаронии вобаста ба ҳарорат муфассал пешниҳод нашудаанд.
• Тобоварӣ ба кӯтоҳпайваст, энергияи лавинавӣ, умри оксиди дарвоза ва шикасти диэлектрикии вобаста ба вақт таҳлил нашудаанд.
• Таъсири паразитии байни ҳуҷайраҳо, анҷоми канории сеченака ва ҷойгиршавии воқеии чип моделсозӣ нашудаанд.
• Натиҷаҳои дуимпулсӣ индуктивияти воқеии корпус, сими пайваст, импеданси гармӣ ва таъсири занҷири драйверро пурра ифода намекунанд.
• Натиҷаи 450 K симулятсияи ададии ҳарорат аст; умри кори дарозмуддат дар ҳарорати баландро нишон намедиҳад.
• Таҳлили такрори оморӣ, тақсимоти истеҳсолӣ ё тағйирёбии раванд вуҷуд надорад.
• Арзиш, масоҳати чип, ҳосили истеҳсол ва миқёспазирии тиҷоратӣ арзёбӣ нашудаанд.

Мушкилоти ҳисобот ва таҳрир дар матн

• Баъзе истинодҳои манбаъ дар бахши муқаддима бо шакли “Error! Reference source not found.” вайрон нишон дода шудаанд.
• Дар рӯйхати адабиёт ҳамон таҳқиқоти JFET-и интегратсионӣ дар манбаъҳои рақами 24 ва 25 такрор шудааст.
• Дар шарҳи талафоти коммутатсионӣ ба “Расми 15(b)” истинод дода шудааст; дар таҳқиқоти боршуда натиҷаи дахлдор дар Расми 12(b) ҷойгир аст.
• Ҷараёни ихроҷи ҳарорати баланд дар матн бо ампер навишта шудааст, дар ҳоле ки меҳвари графики дахлдор зичии ҷараёнро бо A/cm² нишон медиҳад.
• Дар бахши хулоса ибораҳои қатъӣ истифода шудаанд, ки деградатсияи биполярӣ “ҳал шудааст” ё “бартараф шудааст”; таҳқиқот тасдиқи таҷрибавӣ ва эътимоднокии дарозмуддат пешниҳод намекунад.
• Гарчанде гуфта шудааст, ки маълумот истифода нашудааст, таҳқиқот миқдори зиёди натиҷаҳои ададии симулятсия тавлид мекунад. Ин ибораро метавон ҳамчун истифода нашудани маҷмӯи додаҳои беруна тафсир кард; аммо файлҳои симулятсия ё натиҷаҳои ададӣ мубодила нашудаанд.

Таҳқиқот кадом натиҷаҳоро дастгирӣ мекунад?

• Геометрияи пешниҳодшудаи IJDC-ATMOS дар доираи модели TCAD-и истифодашуда нисбат ба C-ATMOS-и анъанавӣ муқовимати махсуси гузаронии пасттар нишон додааст.
• Канали дуюми ҳамвори MOS ҳангоми гузариши пеш бо Ch1 роҳи параллелии электронӣ ташкил кардааст.
• JFET-и интегратсионӣ дар симулятсия дар шиддати баръакси пасттар аз диоди бадан кушода шудааст.
• Гузариши якқутбии баръакс тавассути JFET тазриқи сӯрохҳо ва заряди барқароршавии баръаксро дар симулятсия кам кардааст.
• Геометрияи канали ҳамвори поёнӣ иқтидори дарвоза-дрен ва заряди дарвоза-дренро кам кардааст.
• Сохтори пешниҳодшуда дар симулятсияи дуимпулсии истифодашуда талафоти пасттари фурӯзоншавӣ ва хомӯшшавӣ нишон додааст.
• Муҳофизати P-чоҳ дар блоккунонии 1200 V майдони қуллаи оксиди хандақро дар сатҳи 1,27 MV/cm нигоҳ доштааст.

Таҳқиқот кадом натиҷаҳоро исбот намекунад?

• Истеҳсолпазирии физикии IJDC-ATMOS-ро исбот намекунад.
• Нишон намедиҳад, ки чипи воқеӣ ҳамаи қиматҳои ҷадвалро таъмин мекунад.
• Исбот намекунад, ки деградатсияи биполярӣ дар дастгоҳҳои воқеӣ пурра бартараф мешавад.
• Ба таври таҷрибавӣ нишон намедиҳад, ки оксиди дарвоза дар истифодаи дарозмуддат боэътимод мемонад.
• Нишон намедиҳад, ки талафоти умумии система дар инвертор ё табдилдиҳандаи қувваи воқеӣ %47,1 кам мешавад.
• Дар нақлиёти барқӣ, энергияи барқароршаванда, ҳавонавардӣ ё системаҳои саноатӣ муваффақияти саҳроӣ пешниҳод намекунад.
• Дар бораи арзиши истеҳсоли силсилавӣ, ҳосили истеҳсол, вазъи патент ё татбиқпазирии тиҷоратӣ далел намедиҳад.
• Консенсуси илмии peer-reviewed ё тасдиқи мустақили лабораторӣ ташкил намекунад.

Усул ва бозёфтҳои таҳқиқот

Манбаъ, дастгоҳ ва навъи таҳлил

Параметрҳои асосии геометрӣ ва легиронӣ

Ҷараёни симулятсия

1. Буришҳои C-ATMOS-и анъанавӣ ва IJDC-ATMOS-и пешниҳодшуда бо андозаҳои асосии якхелаи ҳуҷайра сохта шудаанд.
2. Бо тағйир додани паҳноҳои W_L ва W_V-и JFET монеаи минтақаи гузарониш, шиддати оғози гузариши баръакс ва шиддати шикаст ҳисоб шудаанд.
3. Қиматҳои W_L = 0,45 µm ва W_V = 0,50 µm, ки шикасти барвақтро пешгирӣ ва шиддати оғози гузариши баръаксро паст мекунанд, интихоб шудаанд.
4. N_CSL ва W_CSL скан шуда, муқовимати гузаронӣ, шиддати шикаст ва нишондиҳандаи муваффақияти статикӣ муқоиса шудаанд.
5. Каҷҳои пеш ва баръакси I–V ва зичии ҷараёни электронӣ ҳисоб шудаанд.
6. Бо харитаҳои заряди фазоӣ ва зичии сӯрохҳо санҷида шудааст, ки JFET дар самти пеш пӯшида ва дар самти баръакс кушода мемонад.
7. Бо занҷири дуимпулсӣ барқароршавии баръакс ва гузаришҳои коммутатсионӣ симулятсия шудаанд.
8. Рафтори блоккунӣ ва ихроҷ дар 300 K ва 450 K арзёбӣ шудааст.
9. Аз каҷҳои иқтидор ва заряди дарвоза C_GD ва Q_GD гирифта шудаанд.
10. Ҳамаи натиҷаҳои асосӣ бо C-ATMOS-и анъанавӣ муқоиса шудаанд.

Натиҷаҳои асосии ададӣ

• R_on,sp аз 2,49 mΩ·cm² ба 1,69 mΩ·cm² коҳиш ёфтааст.
• V_cut-in аз 2,82 V ба 1,76 V коҳиш ёфтааст.
• BV аз 1485 V ба 1610 V афзудааст.
• Дар ҷараёни бори 200 A/cm², Q_RR аз 3,42 µC/cm² ба 1,15 µC/cm² коҳиш ёфтааст.
• C_GD аз 20,9 pF/cm² ба 12,1 pF/cm² коҳиш ёфтааст.
• Q_GD аз 78,2 nC/cm² ба 52,2 nC/cm² коҳиш ёфтааст.
• Майдони қуллаи электрикӣ дар оксиди дарвоза аз 1,92 MV/cm ба 1,27 MV/cm коҳиш ёфтааст.
• E_on аз 3,16 mJ/cm² ба 1,52 mJ/cm² коҳиш ёфтааст.
• E_off аз 1,11 mJ/cm² ба 0,74 mJ/cm² коҳиш ёфтааст.
• Талафоти умумии коммутатсионӣ аз 4,27 mJ/cm² ба 2,26 mJ/cm² коҳиш ёфтааст.

Ҳадди арзёбии оморӣ ва таҷрибавӣ

Дар таҳқиқот гурӯҳи таҷрибавӣ, шумораи намунаҳои физикӣ, такрори истеҳсол, миёна, инҳирофи стандартӣ, фосилаи эътимод, p value ё ҳадди аҳамият вуҷуд надорад. Натиҷаҳои пешниҳодшуда баромадҳои детерминистии TCAD мебошанд, ки зери геометрия ва параметрҳои модели физикии муайян гирифта шудаанд. Аз ин рӯ беҳбудиҳои фоизӣ фарқи байни ду модели дастгоҳро дар симулятсия нишон медиҳанд, на тақсимоти интизоршаванда ё эътимоди оморӣ дар дастгоҳҳои истеҳсолшаванда.

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: A New SiC Asymmetric Trench MOSFET With Integrated JFET and Dual Forward Channels for Improved Forward, Reverse, and Switching Characteristics

Муаллифон ва тартиби онҳо: Jinsong Liang, Chengxi Ding, Zhaopeng Bai, Hong-Ping Ma, Qing-Chun Zhang

Муаллифи аввали баробар ё саҳми баробар: Дар ин версия маълумот дар бораи муаллифи аввали баробар ё саҳми баробар мавҷуд нест.

Муаллифи масъул: Hong-Ping Ma

Пайвандҳои муассисавӣ:

• Institute of Wide Bandgap Semiconductors and Future Lighting, College of Intelligent Robotics and Advanced Manufacturing, Fudan University, Shanghai, China
• Shanghai Research Center for Silicon Carbide Power Devices Engineering & Technology, Fudan University, Shanghai, China
• Institute of Wide Bandgap Semiconductor Materials and Devices, Research Institute of Fudan University in Ningbo, Ningbo, China

DOI: Дар ин версия маълумоти DOI вуҷуд надорад.

Журнал: Номи журнали peer-reviewed дар ин версия нишон дода нашудааст.

Ношири аслӣ: Маълумоти журнали аслӣ ё ношир аз ин версия тасдиқ карда нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN

Соли нашр: Соли нашр аз матн тасдиқ карда нашудааст.

Навъи манбаъ: Мақолаи preprint-и тадқиқотӣ бар асоси симулятсияи ададии дастгоҳи нимноқил

Вазъи peer review: Ин таҳқиқот preprint буда, аз peer review нагузаштааст.

Пайванди расмии preprint:https://ssrn.com/abstract=7195346

Ин мақолаи тоҷикӣ бо баррасии номи таҳқиқоти боршуда, маълумоти муаллифон ва муассисаҳо, матн, буришҳои дастгоҳ, схемаҳои занҷир, сатҳҳои минтақаи гузарониш, графикҳои параметрӣ, харитаҳои ҷараён ва зичии интиқолдиҳандагон, каҷҳои блоккунӣ, графикҳои иқтидор ва заряди дарвоза, натиҷаҳои дуимпулсӣ, ҷадвалҳо ва бахши хулоса омода шудааст. Даъвоҳои таҷрибавӣ ё тиҷоратие, ки дар таҳқиқот нестанд, илова нашудаанд.

Маҳдудияти асосии таҳқиқот ин аст, ки ҳамаи натиҷаҳо ба симулятсияҳои Sentaurus TCAD асос меёбанд. Дастгоҳи физикӣ истеҳсол нашудааст; гузариши пеш ва баръакс, блоккунӣ, барқароршавии баръакс, коммутатсия, ҳарорат ва эътимоднокии оксиди дарвоза ба таври таҷрибавӣ тасдиқ нашудаанд. Ин таҳқиқот preprint-и аз peer review нагузашта мебошад; натиҷаҳо бояд бо дарназардошти ин маҳдудиятҳо хонда шаванд.