Modeling of Failure Mechanisms in SiC MOSFETs Subject to Short-Circuits
Author
Kristensen, Ole Damm
Term
4. term
Education
Publication year
2017
Pages
68
Abstract
Silicon carbide (SiC) MOSFETs are attractive for high-power applications but have been observed to be more vulnerable to thermal runaway and related failures under short-circuit conditions than conventional silicon IGBTs. This thesis develops a device-level TCAD model in Sentaurus of a commercial SiC MOSFET (CREE CPM12000080B) to simulate operation and short-circuit events and investigate internal failure mechanisms. A half-cell geometry with relevant doping regions was built and calibrated against datasheet characteristics at 25°C, including transfer and output curves, current distribution in the channel, JFET effects, and electrostatic potential. The model was then subjected to transient short-circuit pulses while voltages, currents, and charge flows (electron and hole currents) were analyzed, including the embedded intrinsic BJT in the MOSFET structure. The simulations reproduced key static characteristics, but during short-circuit a breakdown occurred with continued conduction after turn-off, apparently due to activation of the intrinsic BJT. Because of modeling simplifications, this breakdown is assessed as not directly related to the intended failure mechanism. The work highlights the need for more detailed modeling to reliably study short-circuit failures in SiC MOSFETs.
SiC MOSFET'er har attraktive egenskaber for højeffekt applikationer, men er blevet observeret som mere sårbare over for termisk runaway og relaterede fejl under kortslutninger end konventionelle Si-IGBT'er. Dette projekt udvikler en enhedsnær TCAD-model i Sentaurus af en kommerciel SiC MOSFET (CREE CPM12000080B) for at simulere drift og kortslutningsforløb og undersøge indre fejlmekanismer. En halv-cellegeometri med relevante dopingregioner blev opbygget og kalibreret mod datablads-karakteristikker ved 25°C, herunder overførings- og udgangskurver, strømfordeling i kanalen, JFET-effekter og elektrostatisk potentiale. Modellen blev derefter udsat for tidsafhængige kortslutningspulser, mens spændinger, strømme og ladningsstrømme (elektron- og hulstrømme) blev analyseret, herunder den indlejrede, intrinsiske BJT i MOSFET-strukturen. Simuleringerne reproducerede centrale statiske egenskaber, men under kortslutning opstod en nedbrydning, hvor en fortsat ledning efter slukning blev observeret, formodentlig forårsaget af aktivering af den intrinsiske BJT. På grund af modellens forenklinger vurderes denne nedbrydning ikke at være direkte relateret til den tiltænkte fejlmekanisme. Arbejdet fremhæver behovet for mere detaljeret modellering for troværdigt at kunne studere kortslutningsfejl i SiC MOSFET'er.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]