摘要
功率器件在电力电子系统中是至关重要的组成元件，被广泛应用于电网、新能源和航天等领域。随着各个领域技术的迅速发展，对功率器件的要求也日益提高。碳化硅（SiliconCarbide,SiC）金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）是新型的半导体功率器件，拥有快速导通关断的能力以及宽禁带、低损耗和高击穿电场的优势，因此在高压和高频应用领域具有广泛的应用前景。然而，SiCMOSFET在高压和高温的工况下运行，其栅氧化层极容易发生老化，会对器件的导通和关断性能产生巨大的影响，造成器件无法稳定运行，甚至导致功率器件发生故障。因此，研究SiCMOSFET栅氧化层老化监测具有重要的意义。 本文以碳化硅半导体场效应晶体管为研究对象，提出了两种在线监测栅氧化层老化的方法，主要的研究内容如下： （1）介绍了器件的基本结构、工作原理和MOS界面特性。解释了各种陷阱电荷形成的原因、特点以及栅氧化层的老化原理，接着解释了栅氧化层发生老化后，器件阈值电压和载流子迁移率的变化趋势。 （2）针对Buck电路，提出基于电磁辐射(ElectromagneticRadiation，EMR)信号的SiCMOSFET栅氧化层老化监测方法。首先，推导出栅氧化层老化与开通阶段的漏极电流变化率之间的变化规律；其次，把SiCMOSFET模块当作一个磁偶极子，测量其EMR信号，分析可知栅氧化层老化会引起EMR信号频谱幅值减小；最后，对SiCMOSFET器件组成的Buck变换器进行实验测试，利用近场探头捕获EMR信号，根据其频谱幅值监测栅氧化层老化的程度。 （3）针对半桥式电路或全桥式电路，提出基于串通电流的SiCMOSFET栅氧化层老化监测方法。首先，建立串通电流的数学模型；其次，推导出串通电流与栅氧化层老化程度之间的数学表达式；最后，对SiCMOSFET器件组成的半桥式电路进行实验测试，利用电流探头捕获串通电流信号，根据其峰值的大小监测栅氧化层老化的程度。实验结果表明，随着界面陷阱电荷引起的栅氧化层老化程度的加深，串通电流Isat峰值相应的减小，而随着氧化物陷阱电荷引起的栅氧化层老化程度的加深，串通电流Isat峰值相应增大。利用电流探头和示波器可以实现对SiCMOSFET模块栅氧化层老化的在线监测。
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