专栏:宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成2025(4)

发刊词

宽禁带半导体的禁带宽度显著高于传统硅基材料,展现出高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率等颠覆性物理特性。随着电力电子系统向高频化、大功率化方向演进,传统的半导体材料因耐压能力有限、高温稳定性不足、高频损耗严重等问题,难以满足新型半导体器件的技术需求。宽禁带半导体凭借其独特的材料优势,在新能源汽车电控系统、轨道交通牵引变流器、5G基站射频模块等关键领域展现出不可替代的作用。深入开展宽禁带半导体材料、器件及应用的创新研究,不仅对于解决传统半导体技术低效能和低集成度等问题具有重要科学意义和实用价值,还将进一步推动电力电子、汽车电子、通信以及新能源等领域的技术革新与产业升级。

为此,本刊设立了《宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成》专栏,邀请了多位在宽禁带半导体领域深耕的专家担任编委,组织征稿,旨在报道该领域最新的研究成果,实现领域内最新进展的互通互享,促进我国宽禁带半导体研究的进一步发展。本专栏吸引了众多研究人员的关注和参与,经过稿件征集、同行评审,最终精选出多篇原创性论文予以荟集成刊,供读者阅览。本次专栏的内容覆盖面广,既包含硅基晶闸管、GaN HEMT以及SiC MOSFET等功率器件方面的创新工作,也囊括了SiC高压脉冲产生电路、GaN HEMT动态导通电阻测试电路和GaAs数控延时器电路等方面的最新成果,充分展示了宽禁带半导体器件与电路领域的研究动态。在此,我们对关心并支持本专栏出版的各位领导、组稿专家学者,以及积极参与本专栏征文工作的各位作者致以诚挚问候和衷心感谢!

本期专栏主编:郭宇锋,唐为华,陈万军,刘斯扬

专栏主编简介:
郭宇锋,南京邮电大学党委书记,教授,博士生导师,兼任中国电子学会教育工作委员会副主任委员、中国电子学会电路与系统分会委员。主要从事硅、宽禁带半导体及有机功率与射频集成等研究工作。主持国家级、省部级等项目20余项,授权国际专利、国家发明专利70余件,发表学术论文330余篇,入选国家“XX计划”、江苏省“333工程”培养人选、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”培养对象,获中国电子学会科技进步一等奖、中国产学研合作促进奖等省部级及以上奖项或荣誉20项。

文章列表

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  • 1  集成低势垒二极管的1.2 kV SiC MOSFET器件功耗
    孙佳萌,付浩,魏家行,刘斯扬,孙伟锋
    2025, 23(4):309-316. DOI: 10.11805/TKYDA2024224
    [摘要](23) [HTML](15) [PDF 2.23 M](50)
    摘要:
    针对SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在功率模块续流过程中引起的高续流损耗问题,提出集成低势垒二极管的SiC MOSFET(LBD-MOS)结构。对LBD-MOS和传统的SiC MOSFET(CON-MOS)在相同面积下的总功耗进行研究,仿真结果表明,LBD-MOS的续流压降UF为1.6 V,比CON-MOS降低了50%;LBD-MOS的开关损耗Eswitch为187.3 μJ,比CON-MOS降低了6%;在工作频率为10 kHz,占空比为50%的工作条件下,LBD-MOS的总功耗比CON-MOS降低了22.6%。LBD-MOS适用于续流占比高于50%、开关频率不高于1 MHz的工作条件。
    2  GaN HEMT器件动态导通电阻的测试电路
    刘梦丽,李胜,马岩锋,刘斯扬,孙伟锋
    2025, 23(4):317-321. DOI: 10.11805/TKYDA2024223
    [摘要](18) [HTML](7) [PDF 1023.87 K](34)
    摘要:
    氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMTs)的异质外延工艺导致GaN HEMT器件存在陷阱效应,造成器件在连续瞬态工作条件下的导通电阻产生动态变化(简称动态导通电阻),并高于静态条件下的理论值,对功率系统稳定性造成危害,因此需对GaN HEMT器件动态导通电阻高效、精确的测试方法进行研究。本文介绍了GaN HEMT器件动态导通电阻的产生机理,结合实际测试需求,设计了一种基于超高速电压反馈型运算放大器的新型钳位电路。采用Pspice仿真工具对该新型钳位电路进行仿真,并与其他现有常用钳位电路进行对比。结果表明该电路可以更快速准确地读取器件由关态转为开态后的漏压值,实现对不同偏置电压和频率下器件导通电阻的表征。
    3  国产6英寸SiC基GaN HEMT研制
    孔欣,汪昌思
    2025, 23(4):322-330. DOI: 10.11805/TKYDA2024403
    [摘要](17) [HTML](8) [PDF 2.44 M](31)
    摘要:
    近年来,国产6英寸SiC基氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)研制取得明显进展。本文研究了多层介质应力调制技术和高一致性背孔刻蚀技术,并应用于6英寸工艺整合。在48 V 工作时,0.5 μm工艺在3.5 GHz输出功率密度达8.6 W/mm,功率增益达15 dB,功率附加效率为58.5%;在28 V工作时,0.25 μm工艺在10 GHz输出功率密度达5.5 W/mm,功率增益为8.7 dB,功率附加效率为55.2%。通过高温工作寿命(HTOL)和高温反向偏置(HTRB)试验评估了GaN器件的可靠性,1 000 h后器件饱和输出电流变化幅度<10%。制作了20 W、40 W功率管芯以及X波段单片微波集成电路(MMIC)功率放大器对工艺技术进行验证,测得在片良率依次为90%、86%和77%。结果表明,国产6英寸SiC基GaN HEMT在Ku波段以下具备应用前景。
    4  基于SiC DSRD纳秒级高压脉冲产生电路关键参数研究
    杨早,陈万军,陈资文
    2025, 23(4):331-339. DOI: 10.11805/TKYDA2024517
    [摘要](18) [HTML](10) [PDF 2.06 M](33)
    摘要:
    介绍了一种基于漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的纳秒级高压脉冲产生电路的工作原理,对该电路进行建模,并根据模型讨论了影响脉冲输出特性的关键电路参数。实验中采用本实验室研制的高压碳化硅(SiC) DSRD器件在50 Ω的标准负载上得到了峰值为2.27 kV,上升时间为1.846 ns的纳秒级脉冲电压,并在此基础上改变电路中的关键参数进行测试,得到的脉冲电压峰值变化趋势与从模型中分析的保持一致,验证了模型的合理性。考虑到开关管在关断过程中的漏源极产生的电压过冲问题,在开关管漏源极两端并联缓冲电容,并通过实验调整其参数,在不影响DSRD脉冲放电电压峰值的情况下,降低开关管漏源极两端过冲电压。
    5  高精确度大比特位延时器芯片研制
    陈月盈,刘帅,杨柳,赵子润
    2025, 23(4):340-345. DOI: 10.11805/TKYDA2024573
    [摘要](10) [HTML](7) [PDF 1.57 M](23)
    摘要:
    基于GaAs衬底增强/耗尽型赝配高电子迁移率晶体管(E/D pHEMT)工艺,研制了一款0.5~6 GHz三位可调1 400 ps数控延时器芯片。芯片尺寸为3.60 mm×4.00 mm×0.07 mm,集成了3位数控延时器和3 bit并口驱动电路。在0.5~6 GHz范围内,该数控延时器芯片插入损耗小于11 dB,插损波动小于±0.5 dB,全态输入输出驻波比(VSWR)均小于1.5,1 400 ps延时误差片内可调为±4 ps,延时量达到ns级别;通过增加可调节单元和键合切断方式,将延时精确度提高至3‰。该芯片具有宽带、高精确度、大延时量和小尺寸性能,可更好地用于天线系统中。
    6  一种具有高电流能力的雪崩触发栅控晶闸管
    孙新淇,杨禹霄,邓时雨,陈资文,刘超,孙瑞泽,陈万军
    2025, 23(4):346-352. DOI: 10.11805/TKYDA2025005
    [摘要](16) [HTML](12) [PDF 2.75 M](22)
    摘要:
    提出一种新的利用雪崩触发的MOS控制晶闸管(AT-MCT),在电容脉冲放电中实现了高电流峰值、高电流上升能力(di/dt)及非工作状态的非激活保护功能。器件结构包含P-body中的高掺杂雪崩层(N-AL)以及阴极区域和MOS结构分离的N+。当施加栅极电压时,MOS产生的沟道将N-drift电势转移至N-AL中,高掺杂N-AL中由于电场尖峰而发生雪崩,产生的电子-空穴对作为晶闸管的基极电流使AT-MCT快速建立自反馈机制;同时,由于雪崩建立的正反馈过程大大改善了瞬态载流子二维传输效应,增加了瞬态开启过程中元胞的有效导通区域,从而实现更加高效的能量转化。AT-MCT相比于阴极短路的MCT(CS-MCT),电流峰值提高了40%,di/dt能力提升了31%。此外,通过对N-AL掺杂浓度的设计,可实现在非工作状态下的非激活保护功能,提升脉冲功率系统的可靠性。

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