一 . SIC MOS管的發展與現狀
二. 研究柵極問題的重要性
2.1 柵極作為SIC MOS管的關鍵控制端，其性能和可靠性直接影響著整個器件的工作穩定性和壽命。柵極一旦損壞，SIC MOS管將無法正常工作，導致整個電路系統故障
2.2 SIC MOS管作為新型功率半導體器件，近年來隨著技術的成熟，在新能源汽車、光伏、智能電網等領域得到了廣泛應用。其具有開關速度快、導通電阻低、耐高溫等顯著優勢，逐漸成為傳統硅基器件的有力替代者
三. 芯片工藝結構概述
3.1 SIC MOS管的芯片工藝結構主要包括襯底、外延層、源極、漏極、柵極以及絕緣層等部分。其中，襯底通常采用碳化硅材料，具有高導熱性和高擊穿電場強度的特點，為器件提供良好的物理支撐和電學基礎。外延層生長在襯底之上，用于精確控制器件的電學參數
3.2 源極和漏極位于芯片的兩側，是電流的輸入和輸出端,柵極則通過絕緣層與溝道隔開，通過施加電壓來控制溝道的導通和截止，從而實現對電流的調控,絕緣層通常采用二氧化硅等材料，其質量和厚度對柵極的性能有著重要影響
四. 柵極在芯片中的位置與作用
位置：柵極位于源極和漏極之間，通過絕緣層與溝道緊密相鄰。其主要作用是通過電場效應控制溝道的導電性，實現對SIC MOS管導通和關斷的精確控制。當柵極施加正電壓時，會在溝道中感應出電子，形成導電通道，使SIC MOS管導通；當柵極電壓為零時，溝道中的電子消失，導電通道關閉，SIC MOS管截止
作用：柵極的控制作用如同水龍頭的開關，能夠精準地調節水流（電流）的大小和通斷，確保SIC MOS管在各種電路應用中穩定可靠地工作
五. 柵極容易損壞的原因分析
5.1 寄生電容的影響,米勒電容的作用機制
由于多晶硅寬度、溝道與溝槽寬度、G極氧化層厚度、PN結摻雜輪廓等因素，SIC MOS管會產生寄生電容，其中關鍵的米勒電容Cgd起著重要作用。Cgd并非恒定不變，它會隨著柵極和漏極間電壓的變化而迅速改變
當高邊的MOS管突然導通時，低邊MOS管的漏極電壓會瞬間升高，此時低邊MOS管的米勒電容上會產生一個大小為米勒電容乘以電壓變化率大小的電流。若柵極開路，這個電流只能給下方的Cgs電容充電，進而導致柵極電壓突然升高。當柵極電壓超過MOS管的門線電壓VTH時，MOS管就容易發生誤導通，長期的誤導通會對柵極造成損壞
5.2 寄生電容引發的問題實例
在半橋電路中，當一個MOS管導通時，由于米勒電容的存在，會對另一個MOS管的柵極產生影響。例如，在某開關電源應用中，由于米勒電容的作用，導致柵極電壓異常升高，超出了柵極的耐壓范圍，最終造成柵極擊穿損壞，使整個開關電源無法正常工作
5.3 外部電路過電壓的來源
5.3.1 外部電路中的過電壓可能由多種原因產生，如雷擊、電網波動、感性負載的開關操作等。雷擊會產生瞬間的高電壓脈沖，可能通過電源線或信號線傳導至SIC MOS管
5.3.2 電網波動時，電壓的突然升高也會對SIC MOS管造成威脅
5.3.3 當感性負載（如電機、變壓器等）突然斷開時，會產生反電動勢，形成很高的電壓尖峰，這些過電壓都可能通過電路傳導到SIC MOS管的柵極，對其造成損害
5.4 過電壓對柵極的損害原理
5.4.1 當柵極承受的電壓超過其額定耐壓值時，柵極氧化物會發生擊穿，導致柵極與溝道之間的絕緣性能下降，甚至短路;這會使柵極失去對溝道的控制能力，SIC MOS管無法正常工作，嚴重時會導致器件永久性損壞
5.4.2 過電壓還可能引發柵極內部的熱效應，使柵極材料的溫度急劇升高，造成材料的性能劣化，進一步加劇柵極的損壞
5.5 高溫環境的影響
5.5.1 SIC MOS管的工作溫度特性
SIC MOS管雖然具有較好的高溫性能，但在高溫環境下，其性能參數仍會發生變化。隨著溫度的升高，SIC MOS管的導通電阻會增大，開關速度會降低，漏電流也會增加。這些參數的變化會導致器件的功耗增加，產生更多的熱量，進一步加劇溫度的上升。
當溫度超過一定限度時，會對柵極的材料和結構產生影響，降低柵極的可靠性
5.5.2 高溫對柵極材料和結構的影響
高溫會使柵極的絕緣材料性能下降，導致柵極與溝道之間的絕緣電阻降低，增加漏電風險。高溫還可能導致柵極金屬材料的熱膨脹，使柵極與其他部件之間的連接出現松動或斷裂，影響柵極的正常工作; 在一些高溫應用場景中，如汽車發動機艙內的電子設備，SIC MOS管長期處于高溫環境下，柵極的損壞概率明顯增加
5.6 制造工藝缺陷
5.6.1 常見的制造工藝問題
在SIC MOS管的制造過程中，可能會出現一些工藝缺陷，如柵極氧化層中的針孔、雜質污染、光刻偏差等;這些缺陷會導致柵極氧化層的厚度不均勻，局部電場強度過高，從而降低柵極的耐壓能力
雜質污染可能會改變柵極材料的電學性能，影響柵極的正常工作。光刻偏差則可能導致柵極的尺寸精度不足，影響器件的性能一致性
5.6.2 工藝缺陷如何導致柵極損壞
柵極氧化層中的針孔會成為電流的泄漏通道，當電流通過針孔時，會產生局部發熱，導致氧化層進一步損壞。
雜質污染會使柵極材料的電阻率發生變化，影響柵極的電場分布，增加柵極擊穿的風險
光刻偏差導致的柵極尺寸不一致，會使不同器件的柵極性能存在差異，在實際應用中，性能較差的柵極更容易受到損壞
六 解決方案：柵極保護措施 - 瞬態抑制二極管
基本工作原理介紹
SMBJ1505CA是一種高效的電路保護器件，其工作原理基于PN結的雪崩擊穿效應。當TVS兩端的電壓超過其擊穿電壓時，TVS會迅速導通，將過電壓鉗位在一個較低的水平，從而保護被保護器件免受過高電壓的沖擊，在電路中，TVS通常與被保護的SIC MOS管柵極并聯連接。當出現瞬態過電壓時，TVS會在極短的時間內（通常為納秒級）響應，將過電壓旁路到地，使柵極電壓保持在安全范圍內
SMBJ1505CA 瞬態抑制二極管是專門為SIC MOS管柵極保護設計的，其正向擊穿電壓通常設定為15V左右，反向擊穿電壓設定為 - 5V左右。這樣的電壓設定能夠與SIC MOS管的柵極工作電壓范圍相匹配，有效地保護柵極免受正向和反向過電壓的損害，這種二極管具有快速的響應時間、低動態電阻和高脈沖功率承受能力等特點。快速的響應時間能夠確保在過電壓出現的瞬間及時動作，低動態電阻可以使鉗位電壓盡可能接近擊穿電壓，高脈沖功率承受能力則保證了二極管在承受大電流脈沖時不會損壞
使用SMBJ1505CA的原因
防止串擾引起的柵極電壓波動
在半橋電路等應用中，SIC MOS管模塊的開關動作會引起另一個模塊開關的柵源極電壓波動，即串擾問題。正向串擾可能導致柵極電壓正向抬升，若超過閾值將導致誤開通；負向串擾可能使柵極電壓負向增大，超過負壓耐受極限會導致柵極擊穿，SMBJ1505CA瞬態抑制二極管可以有效地抑制串擾引起的柵極電壓波動，當柵極電壓出現異常升高或降低時，TVS會迅速導通，將電壓鉗位在安全范圍內，防止誤開通和柵極擊穿的發生
應對瞬態過電壓的威脅
如前所述，外部電路中存在各種瞬態過電壓的威脅，如雷擊、電網波動、感性負載開關等產生的過電壓。這些過電壓可能會瞬間超過SIC MOS管柵極的耐壓值，對柵極造成不可逆的損壞。
瞬態抑制二極管能夠在過電壓出現的瞬間迅速響應，將過電壓限制在安全范圍內，為SIC MOS管柵極提供可靠的保護，確保器件在惡劣的電氣環境下正常工作
加瞬態抑制二極管的好處 ：提高柵極的可靠性和穩定性、簡化電路設計和維護
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