碳化硅晶體
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-11-08
碳化硅晶體的視頻教程
基于Huang的晶體塑性有限元程序入門-3-晶體取向的輸入
本節(jié)將介紹如何將以歐拉角形式表達的晶體取向轉(zhuǎn)化為Prof.Huang晶體塑性有限元程序能識別的Miller表達形式。
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基于Huang的晶體晶體塑性有限元程序入門介紹
為了幫助晶體塑性有限元同學(xué)入門，以Huang的晶體塑性有限元程序為例，入門級介紹微觀組織模型建立、材料屬性賦予、結(jié)果導(dǎo)出與分析等相關(guān)內(nèi)容。本課程是系列視頻，各部分均有自己的重點縱容，本次內(nèi)容僅為簡單介紹。后續(xù)課程主要包含以下幾個方面： 1 晶體塑性基本介紹 2 微觀組織模型的建立 3 材料屬性的賦予 4. 子程序輸出的控制 5. 后續(xù)結(jié)果的導(dǎo)出與分析
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包含滑移、孿生機制的HCP晶體金屬的晶體塑性有限元建模與分析
本課程主要介紹包含滑移、孿生機制的HCP晶體金屬的晶體塑性有限元建模與分析的基本過程與方法； 課程附件中包含修好好的運行范例.inp文件和考慮滑移、孿生機制的子程序.for文件。
￥500 36分鐘 986播放
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碳化硅晶體的實例教程
(a)
(b)
圖8 (a)正極性驅(qū)動電壓準(zhǔn)位 (b)負(fù)極性驅(qū)動電壓準(zhǔn)位與門極閾值電壓漂移大小關(guān)系
為了避免碳化硅功率晶體的門極閾值電壓在長時間的使用之下，產(chǎn)生過高的門極閾值電壓漂移，原則上，必須遵照資料手冊的建議值來使用及確認(rèn)功率晶體的門極電壓值。如圖9所示，為了不造成碳化硅功率晶體的門極電壓大幅度漂移，針對其驅(qū)動電壓的建議值及最大可以接受的電壓峰值，其中，值得注意的是，門極電壓的測量結(jié)果應(yīng)該盡量排除封裝引腳的影響。
圖9 碳化硅功率晶體的驅(qū)動電壓限制值
綜上所述，目前碳化硅功率晶體的發(fā)展主要在于幾個方向：1.降低單位晶粒面積下的通態(tài)電阻；2.提高功率晶體門極可靠度3.在不影響驅(qū)動位準(zhǔn)的大前提下降低驅(qū)動電壓位準(zhǔn)。這些設(shè)計上的挑戰(zhàn)，都由碳化硅功率晶體的設(shè)計者來構(gòu)思及突破，而主流的碳化硅功率晶體在結(jié)構(gòu)上分為兩大類，平面式及溝槽式的碳化硅功率晶體，平面式的碳化硅功率晶體受限于晶體缺陷及電子遷移速度，大多采用較低的臨界門極電壓，并建議在橋式電路中采用負(fù)電壓截止驅(qū)動電路 ，用以減少在橋式電路中功率晶體交互驅(qū)動時可能產(chǎn)生的可能的誤導(dǎo)通；反之溝槽式的碳化硅功率晶體，采用具有較高電子遷移速度的晶體平面做為通道，可以設(shè)計較高的臨界門極電壓，并且不需要任何的負(fù)電壓截止驅(qū)動電路。對于碳化硅功率晶體的用戶而言，驅(qū)動電路設(shè)計相對簡單，只需要提高驅(qū)動電壓到合適的電壓值，就能夠享受碳化硅功率晶體帶來的優(yōu)點。
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研發(fā)碳化硅晶體生長技術(shù)，預(yù)期成果是“生長6英寸碳化硅晶體，厚度
大于15mm
”。
在輕載情況下由于功率開關(guān)的開關(guān)損耗高于導(dǎo)通損耗，因此氮化鎵晶體管的效率明顯高于碳化硅晶體管。當(dāng)負(fù)載逐漸加重時，導(dǎo)通損耗在總損耗中的占比高于開關(guān)損耗。同時由于負(fù)載加大，功率開關(guān)的溫升升高，而根據(jù)圖13導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫的變化率可知碳化硅晶體管的導(dǎo)通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開關(guān)的效率差異已經(jīng)非常小，雖然碳化硅晶體管的25°C下的導(dǎo)通電阻是高于氮
化鎵晶體管的。
圖14：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管在PFC級效率曲線
接下來對用于3KW輸出功率，采用兩相交錯并聯(lián)半橋LLC的電路拓?fù)渲械牡?em>晶體管和碳化硅MOSFET在不同工作頻率下的計算得到的效率進行比較，計算中忽略掉了頻率上升導(dǎo)致磁性元件
（包括諧振電感，主功率電感）
損耗上升的影響。電路拓?fù)淙鐖D15所示。氮化鎵晶體管選用的型號為IGOT60R070D1
(25°C下的最大RDS(on)
為
70mohm)
，共8顆。碳化硅MOSFET選用的型號為IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS
(on)為64mohm)，
共8顆。
圖15：兩相交錯并聯(lián)LLC電路示意圖
在50%負(fù)載
（1500W），
常溫工作環(huán)境下，不同工作頻率下的效率對比如圖16所示。
展開 圖13：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管和硅MOSFET導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫變化曲線
應(yīng)用對比
首先在圖7所示的電流連續(xù)模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無橋PFC電路上對氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET對轉(zhuǎn)換效率的影響進行了測試，測試條件如表3所示。
表3：PFC電路測試條件
測試中每種功率開關(guān)都測試了兩種導(dǎo)通電阻的器件，對于氮化鎵晶體管，RDS(on)分別為35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET則分別是65mohm和80mohm。測試結(jié)果如圖14所示。在輕載情況下由于功率開關(guān)的開關(guān)損耗高于導(dǎo)通損耗，因此氮化鎵晶體管的效率明顯高于碳化硅晶體管。當(dāng)負(fù)載逐漸加重時，導(dǎo)通損耗在總損耗中的占比高于開關(guān)損耗。同時由于負(fù)載加大，功率開關(guān)的溫升升高，而根據(jù)圖13導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫的變化率可知碳化硅晶體管的導(dǎo)通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開關(guān)的效率差異已經(jīng)非常小，雖然碳化硅晶體管的25°C下的導(dǎo)通電阻是高于氮化鎵晶體管的。
展開 坩堝（石墨件）指以一定粒徑的石墨粉高壓壓制后高溫長時間煅燒制成的器皿，具有耐高溫、導(dǎo)熱性能強、抗腐蝕性能好、壽命長等特點，是碳化硅晶體生長過程中的耗材之一，其在碳化硅襯底生產(chǎn)原料中到2021年占比達到45%以上，而且其占比還呈現(xiàn)一種上升趨勢，這是碳化硅制備成本高昂的很大一個原因。
（二）制備工藝條件要求高
PVT 法指 Physical Vapor Transportation，物理氣相傳輸法，一種常見的碳化硅晶體生長方法，在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體；由于固相升華反應(yīng)形成的 Si、C 成分的氣相分壓不同，Si/C 化學(xué)計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。以上碳化硅單晶制備的整個固-氣-固反應(yīng)過程都處于一個完整且密閉的生長腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個參數(shù)相互耦合，任意生長條件的波動都會導(dǎo)致整個單晶生長系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長的穩(wěn)定性；此外，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式，從而形成200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低。因此，在PVT單晶生長系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致目標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問題。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項缺陷。
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碳化硅晶體的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
碳化硅晶體的最新內(nèi)容
原始文獻：《An elasto-viscoplastic formulation based on fast Fourier transforms for the prediction of micromechanical fields in polycrystalline materials》
DOI：10.1016/j.ijplas.2011.12.005
在計算微觀力學(xué)領(lǐng)域，如何高效預(yù)測多晶體內(nèi)部的異質(zhì)應(yīng)力場量一直是核心難題
文章名稱《A three dimensional (3D) thermo-elasto-viscoplastic constitutive model for FCC polycrystals》
DOI：10.1016/j.ijplas.2015.04.001
在鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料成形過程中，溫度往往不是一個可以忽略的因素。尤其是在溫成形條件下，材料的流動應(yīng)力、硬化能力、延性、應(yīng)變率敏感性以及彈性回復(fù)都會發(fā)生明顯變化
文章名稱《Concurrent multi-scale crush simulations with a crystal plasticity model》
DOI：10.1016/j.tws.2011.12.019
在汽車防撞梁、吸能盒和薄壁管結(jié)構(gòu)中，壓潰吸能能力直接影響結(jié)構(gòu)安全性。傳統(tǒng)有限元分析通常采用各向同性塑性模型，通過宏觀應(yīng)力–應(yīng)變曲線描述材料響應(yīng)。但實際金屬材料并不是“均勻黑箱
文章名稱《Simulation of polycrystal deformation with grain and grain boundary effects》
DOI：10.1016/j.ijplas.2011.03.001
做多晶材料模擬時，我們經(jīng)常會遇到一個很現(xiàn)實的問題：晶粒尺寸明明會顯著影響強度，但在普通晶體塑性有限元模型里，這個效應(yīng)并不會自然出現(xiàn)。
傳統(tǒng) CP-FEM 可以很好地描述晶粒取向
文章推薦：《Reduced-order representations of crystallographic texture for application to surrogate modelling of austenitic stainless steel》
晶體塑性有限元（CPFE）模型在預(yù)測多晶材料宏觀性能與微觀晶體學(xué)織構(gòu)的相互作用中扮演著核心角色 。然而，極其龐大的計算成本成為了將其推廣至宏觀工程部件
“超節(jié)功率MOS管”應(yīng)為?超結(jié)功率MOS管?（Super Junction MOSFET），是一種專為高壓大功率應(yīng)用優(yōu)化的功率半導(dǎo)體器件。其核心創(chuàng)新在于通過?電荷平衡結(jié)構(gòu)?突破傳統(tǒng)硅器件的“硅極限”（即耐壓與導(dǎo)通電阻之間的權(quán)衡關(guān)系）。
超結(jié)MOS管的工作原理
采用?P柱（P-type pillar）與N柱（N-type pillar）交替排列?的超結(jié)結(jié)構(gòu)，替代傳統(tǒng)MOSFET中單一的N型漂移區(qū)
本案例介紹在Abaqus CAE內(nèi)建立呈現(xiàn)不同梯度分布模式的二維Voronoi晶粒結(jié)構(gòu)模型。
模型輪廓草圖預(yù)先在AutoCAD內(nèi)建立，在“0”圖層上建立正方形，在“hole”圖層建立內(nèi)部的孔，這里的孔采用的是正多邊形，以確保能以多邊形的邊長生成對應(yīng)的梯度晶粒。圖形建立完成后，采用CAD二維圖形Voronoi劃分 V2.0插件進行梯度晶粒的生成，晶粒直徑參數(shù)設(shè)置為最大的晶粒尺寸
JCMsuite布局描述提供了許多設(shè)置復(fù)雜幾何圖形的方法。例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來實現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀
JCMsuite布局描述提供了許多設(shè)置復(fù)雜幾何圖形的方法。例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來實現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀
本案例介紹在ANSYS Workbench內(nèi)建立任意三維部件的Voronoi晶體結(jié)構(gòu)3D模型。
首先需要在AutoCAD內(nèi)手動建立需要的三維模型部件，然后通過CAD三維模型Voronoi劃分插件設(shè)置晶粒參數(shù)，對模型進行Voronoi三維分區(qū)。
編輯
跳轉(zhuǎn)
將分區(qū)后的晶體結(jié)構(gòu)部件導(dǎo)出為
