不同工作条件和环境下的VDMOS可靠性研究

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从上世纪90年代开始,DC/DC(Direct-current)电源模块作为二次电源广泛应用于太空辐射环境下。VDMOS(Vertical Double-diffused Metal OxideSemiconductor,垂直双扩散场效应晶体管)是中低功率DC/DC电源模块内功率开关器件的主要选择,受核辐射和空间辐射的影响严重,另外,在工作中的高功耗和自升温,使VDMOS的可靠性受到严重影响,是电源模块中最容易失效的器件之一。   本文采用恒定电应力温度斜坡法对VDMOS IRF120进行了可靠性评价,并对电源模块及VDMOS的辐照损伤机理和失效模式作了深入研究。主要包括三方面的工作。   基于恒定电应力温度斜坡法对工作于脉冲状态下的VDMOS功率器件进行可靠性研究,考察了器件阈值电压,跨导以及导通电阻的退化情况。并与工作于直流状态下的可靠性试验结果进行对比分析,得出在两种工作状态下均是跨导为失效敏感参数。在脉冲工作状态下,VDMOS失效激活能范围为0.66eV-0.7eV,寿命范围为4.3×105hr-4.6x106hr;在直流工作状态下VDMOS失效激活能范围为0.57eV-0.68eV,寿命范围为7.97x106hr-1.15×107hr。并对跨导的退化机理进行了分析。   对VDMOS各样品进行总剂量3KGy(Si)的γ射线辐照试验,对比了辐照前后的阈值电压、亚阈值电流、跨导及导通电阻的变化情况,并从理论上分析了参数退化的原因。然后研究了辐照后VDMOS各样品在室温下长时间存储及退火后参数的变化情况,并做出了解释。试验结果表明:γ射线辐照使得各样品参数均有退化。在室温下长时间存储后各参数有不同程度的恢复,其中阈值电压恢复超过30%;跨导恢复30%-75%;A类样品亚阈值电流无明显变化,B类样品亚阈值电流有小幅增长;导通电阻接近辐照前水平。高温退火使得样品各参数基本恢复至辐照前水平。   设计并完成DC/DC电源模块γ射线辐照实验。在深入分析参数退化机理的基础上优选了敏感表征参量。研究表明辐照后,DC/DC电源模块出现效率降低、输出电压漂移等失效模式。分析认为VDMOS辐照效应引起DC/DC电源模块失效有两种模式:一是VDMOS阈值电压负漂移后低于PWM输出电压低电位,不能脱离饱和区而失效;二是VDMOS阈值电压负漂引起漏端电流增加,致使DC/DC电源模块转换效率降低。
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