Silicon carbide high voltage devices
Silicon carbide yüksek gerilim aygıtları
- Tez No: 287381
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Silicon Carbide, Schottky diyot, PiN diyot, yüksek kırılma elektrik alan kuvveti, Schottky kontak, ileri açılma gerilimi ve direnci, kapasitans, anahtar diyot, Silicon Carbide, Schottky diode, PiN diode, high breakdown electric field strength, Schottky contact, on-state voltage and resistance, capacitance, switching diode
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 67
Özet
Geniş bant aralığı, yüksek kırılma elektrik alan kuvveti, yüksek taşıyıcı mobilitesi ve yüksek ısıl iletkenliği gibi üstün özelliklere sahip olan Silicon Carbide (SiC) malzemesi yüksek frekans, yüksek sıcaklık ve yüksek gerilim uygulamalarında Silicon (Si) ve Gallium Arsenide (GaAs) malzemelerine tercih edilmektedir.Düşük ters sızıntı akım, düşük ileri açılma gerilimi ve direnci, yüksek kırılma gerilimi ve farklı sıcaklıklarda yüksek performans SiC yüksek gerilim aygıtlarının tercih edilme sebeplerinin başlıcalarıdır. Anahtarlama hızı çok yüksek olmasıyla beraber PiN diyota nazaran yüksek sızıntı akıma Schottky diyotlar ve düşük sızıntı akımın yanısıra anahtarlama esnasında ters toparlanma yükü ve SiC malzemesinin geniş bant aralığı sebebiyle yüksek bileşke ileri gerilim düşmesi gösteren PiN diyotlar bilinen SiC yüksek gerilim aygıtlarının bazılarıdır.Bu tezde katkı konsantrasyonu 1015 ile 1016 cm-3 ve intrinsic tabakası kalınlığı 6 ile 20 ?m arasında değişen çeşitli SiC Schottky ve PiN epi tabakaları kullanılmıştır. İlk çalışma olarak 1mm çaplı ve intrinsic tabakası tüm yüklerden arındırılmış diyotların direnç ve kapasitans değerleri hesaplanmıştır. Kapasitans değerleri 100 pF dan, direnç değerleri ise 100 m? dan daha düşüktür. Ardından belirli bir ters gerilimde intrinsic tabakasının tüm yüklerden arınmış olmak zorunda olmadığı fikriyle diyotun C-V grafiği kullanılarak 50V ters gerilimde kapasitans değerleri hesaplanmıştır. Sonuç 106 pF çıkmıştır. Kırılma geriliminden daha düşük gerilimlerde en düşük kapasitans değerine ulaşılamamaktadır. Intrinsic tabakası tüm yüklerden arındırılmış diyotun kapasitans değeri bilgisi kırılma gerilimini buldurmaktadır. Bu değer Polonya büyütmesi SiC PiN epi tabakası için -3030V olarak hesaplanmıştır. İkinci çalışmada da 8.4*1015 cm-3 katkı konsantrasyonuna sahip Polonya büyütmesi SiC PiN epi tabakası kullanılmıştır. Diyot çapı 0.5 ile 3 mm arasında, intrinsic tabakası kalınlığı ise 6 ile 100 ?m arasında alınarak direnç ve kapasitans değerleri hesaplanmıştır. En düşük direnç değeri 0.007? en yüksek kapasitans değeri 1.05*10-10 F a denk gelirken, en düşük kapasitans değeri 1.75*10-13 F en yüksek direnç değeri 4.4? a denk gelmektedir. Elde edilen verilere göre anahtar diyot tasarımının gerektirdiği direnç ve kapasitans değerleri için en uygun diyot çapı ve intrinsic katmanı kalınlığı seçilebilmektedir.Seçilmiş ohmik, Schottky kontaklarla ve dielektrik kaplamayla 4H-SiC Schottky ve PiN diyotlar üretilmiştir. Statik karakterizasyon olarak diyotların kırılma gerilimi 900V dan yüksek, ileri en yüksek akımı 12.5 A (500 A/cm2 e kadar akım yoğunluğu), ileri konum direnci 10 m?.cm2 den düşük ve 40 V ters gerilimde kapasitansı 50 pF olarak ölçülmüştür. İleri ve ters konumdaki ölçümler farklı sıcaklıklarda da gerçekleştirilmiştir. Dinamik karakterizasyon olarak yükselme ve düşme süreleri 120 nsec olarak ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
The superior properties such as wide band gap, high breakdown electric field strength, high carrier mobility, and high thermal conductivity make Silicon Carbide (SiC) preferred over Silicon (Si) and Gallium Arsenide (GaAs), in high frequency, high temperature, and high voltage applications.SiC high voltage devices are preferred for their low reverse leakage current, low on-state voltage and resistance, high blocking voltage, and high performance at different temperatures. There are two types of the well-known SiC high voltage devices. One is Schottky diodes, which offer extremely high switching speed, but suffer from high leakage current. The other is, PiN diodes, which offer low leakage current, but show reverse recovery charge during switching and have a large junction forward voltage drop due to the wide band gap of SiC.In this work, various SiC Schottky and PiN epilayers with different doping concentrations between 1015 and 1016cm-3 and i-layer thicknesses between 6 and 20 ?m are used. First, taking the diode radius as 1 mm, resistance and capacitance values are calculated assuming the i-layer is fully depleted. The capacitance values are much less than 100pF and the resistance values are less than 100 m?. The capacitance value at a reverse bias of 50 volts is calculated with another approach, which is derived from the C-V graph of the diode, assuming the diode does not have to be fully-depleted at the given bias. The resulting capacitance is 106pF. At a reverse bias lower than the breakdown voltage, the minimum capacitance value cannot be reached. Knowledge of the capacitance value in a fully depleted thickness case reveals the breakdown voltage, which was found as -3030 volts for the Poland growth SiC PiN epilayer. In the second study, the Poland growth SiC PiN epilayer with a doping concentration of 8.4*1015 cm-3 was again used. With diode diameters ranging from 0.5 mm to 3 mm and depletion thicknesses ranging from 6 ?m to 100 ?m, the resistance and capacitance of the diode are calculated. The minimum resistance of 0.007? corresponds to the maximum capacitance of 1.05*10-10F, whereas the minimum capacitance of 1.75*10-13 F, corresponds to the maximum resistance of 4.4 ?. According to the resulting data sets, the optimal diode diameter and i-layer thickness for the desired resistance and capacitance values that is needed for the switching diode design can be selected.4H-SiC Schottky and PiN diodes with selected Ohmic, Schottky contacts and dielectric coating are fabricated. As the static characterization, we observe diodes with reverse breakdown voltages above 900 V, forward maximum current of 12.5A (current density up to 500 A/cm2), on-state diode resistance below 10 m?.cm2, and a capacitance value of 50 pF at a reverse bias of 40 volts. We also characterize the forward and reverse behaviors at different temperatures. As the dynamic characteristic, the rise-fall time is measured as 120 ns.
Benzer Tezler
- Çamaşır makinası uygulamasında gan yarı iletkenanahtarlar ile yüksek güç yoğunluklu ve verimlievirici tasarımı
Design of high efficiency and high power densityinverter using gan semiconductors for washing machine
TANER YAZICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Geniş bant aralıklı silisyum karbür tabanlı mosfet alt-modül tasarımı
Wide bandgap silicon carbide based mosfet sub-module design
AHMET FURKAN TUNCER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİNÇER GÖKCEN
- Silicon carbide based nanoelectronic and optoelectronic devices for harsh environment applications
Zorlu ortam uygulamaları için silikon karbür bazlı nanoelektronik ve optoelektronik cihazlar
HABEEB MOUSA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAŞİF TEKER
- Impact of channel length scaling on electrical transport properties of silicon carbide nanowire based field effect transistors (sicnw-fets)
Kanal uzunluğu ölçeklemenin silisyum karbür nano tel tabanlı alan etkili transistörlerin (sicnw-fet) elektrisel iletim özelliklerine etkileri
ALİ UZUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Şehir ÜniversitesiElektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAŞİF TEKER
- Developing epitaxial graphene electrodes for silicon carbide based optoelectronic devices
Silisyum karbür tabanlı optoelektronik cihazlar için epitaksiyel grafen elektrotlar geliştirilmesi
ERDİ KUŞDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. CEM ÇELEBİ
DOÇ. DR. HALDUN SEVİNÇLİ