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Martinez Mecinas, Pedro Javier
Maset Sancho, Enrique (dir.) Departament d'Enginyeria Electrònica |
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Aquest document és un/a tesi, creat/da en: 2021 | |
The theoretical advantages of GaN devices compared to its Silicon
counterparts has been extensively studied and confirmed over the last
decade. Following these studies, the current thesis is made with the
aim of studying the current reliability of commercial GaN devices to
contribute the future improvement of these devices from the point of
view of its application in the future of power electronics. The research
carried out in this thesis is divided into three clearly differentiated
parts.
The first part is about the main problem associated with the GaN
HEMT technology from its beginning and is known as dynamic
resistance. This problem has been extensively studied in the literature
over the last decades and still being today one of the main problems
associated to the GaN HEMTs. This thesis studies this phenomenon
over different commercial GaN devices. These studies show tha...
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The theoretical advantages of GaN devices compared to its Silicon
counterparts has been extensively studied and confirmed over the last
decade. Following these studies, the current thesis is made with the
aim of studying the current reliability of commercial GaN devices to
contribute the future improvement of these devices from the point of
view of its application in the future of power electronics. The research
carried out in this thesis is divided into three clearly differentiated
parts.
The first part is about the main problem associated with the GaN
HEMT technology from its beginning and is known as dynamic
resistance. This problem has been extensively studied in the literature
over the last decades and still being today one of the main problems
associated to the GaN HEMTs. This thesis studies this phenomenon
over different commercial GaN devices. These studies show that a
good structural design of the GaN HEMT is mandatory to avoid
problems causing dynamic resistance. While some manufacturers still
showing this problem on its HEMTs, others have managed to reduce
it with new structural designs.
The second part of this thesis corresponds to the analysis and results
from a point of view of the electrical reliability, also known as
robustness of the GaN HEMT devices. This second part it’s about the
capability of the device to endure short-circuits and over-voltages. This
part is the closest to the real application of the GaN HEMT devices as
power semiconductor in the industrial environment. The results
obtained in this thesis show that GaN HEMT devices do not show a
good behavior with avalanche events and it does not seem to have an
immediate solution. However, GaN HEMT devices analyzed in short
circuit demonstrate good behavior under short circuit conditions.
Despite of the need for improvements related with hot-electron effect,
the GaN HEMTs have endured short circuit events for times much
greater than its Silicon counterparts.
As third and last part, this thesis shows the tests related with the
needed of the use of these devices at the aerospace industry by
analyzing the robustness and behavior against electromagnetic
radiation. These studies demonstrate that the design and internal
structure of the GaN HEMTs play a main role in the behavior of these
devices against radiation. Besides, all the observed changes of the GaN
HEMTs are related with charge trapping/detrapping effects. For this
reason, the devices that have demonstrated being free current collapse
during the dynamic resistance tests have also demonstrated a good
behavior against radiation, and its electrical characteristics has not
been modified after low and high doses of gamma radiation.
Therefore, the obtained results over this thesis show the GaN HEMTs
as promising devices for the future of power electronics. They are close
to its use in final applications but still being necessary to improve some
of their technological aspects for its use in the actual power designs
(such as encapsulated, drive circuits …). These aspects are expected to
improve with the evolution and improvement of design and
manufacturing processes.El presente trabajo de tesis en Ingeniería Electrónica tiene como
objetivo el estudio de la fiabilidad de dispositivos HEMT (High
Electron Mobility Transistor) de GaN (Gallium Nitride). Gracias a las
ventajas teóricas en el uso de dispositivos GaN frente a dispositivos de
Silicio y a la aparición de dispositivos GaN que mejoran las
prestaciones de sus homónimos de Silicio, el siguiente paso, es el
estudio de la fiabilidad que presentan estos dispositivos en la
actualidad, con el objetivo de mejorarlos e investigar los límites
actuales en determinadas aplicaciones de potencia. La investigación
realizada en esta tesis se divide en tres partes claramente diferenciadas.
La primera de ellas trata el estudio del principal problema asociado a
la tecnología de los HEMT de GaN de cara a su funcionamiento en
conmutación: la resistencia dinámica. Este ha sido un problema muy
estudiado desde los inicios de la realización de los HEMT de GaN para
aplicaciones de potencia, que a día de hoy sigue siendo uno de los
principales problemas a resolver en estos dispositivos. En esta tesis se
han estudiado distintos dispositivos comerciales, donde se
demuestran que un buen diseño estructural del dispositivo GaN
HEMT es imprescindible para evitar problemas asociados a la
resistencia dinámica. Mientras unos fabricantes continúan
presentando este problema en sus dispositivos, otros fabricantes han
conseguido minimizarlo mediante modificaciones en la estructura.
La segunda parte engloba el análisis y los resultados obtenidos desde
un punto de vista de la fiabilidad eléctrica, o también conocido como
robustez de estos dispositivos. Esta segunda parte engloba las pruebas
para determinar la capacidad de soportar cortocircuitos y avalanchas
por sobretensión. Análisis, que es de aplicación directa de cara al
funcionamiento real de los dispositivos GaN HEMT como transistores
de potencia en el campo industrial. Los resultados obtenidos en esta
tesis muestran que los dispositivos HEMT de GaN no tienen un buen
comportamiento frente a eventos de avalancha y a priori no parece un
problema con una solución inmediata. Sin embargo, los dispositivos
HEMT de GaN analizados en cortocircuito si demuestran un buen
comportamiento ante condiciones de cortocircuito. A pesar de la
necesidad de mejoras, que están relacionadas con el efecto de los
electrones calientes (hot-electron) los dispositivos HEMT de GaN han
conseguido soportar tiempos de cortocircuito mucho mayores que sus
competidores de Silicio.
Por último, la tercera parte engloba las pruebas relacionadas con la
necesidad asociada al uso de estos dispositivos en la industria
aeroespacial, analizando la robustez y comportamiento ante radiación
electromagnética. Esta última parte de estudio, demuestra que el
diseño y geometría de la estructura juega un papel esencial en el
comportamiento de los dispositivos HEMT de GaN frente a radiación.
Además, todos los cambios observados tras la radiación de los
dispositivos HEMT de GaN están relacionados con efectos de
atrapamiento/desatrapamiento de cargas en los dispositivos. Por este
motivo, los dispositivos que han demostrado estar libres de este
atrapamiento durante los test de resistencia dinámica, han demostrado
ser robustos frente a radiación y no han sufrido cambios tras la misma,
independientemente del uso de dosis altas o bajas de radiación
gamma.
Por tanto, los resultados obtenidos durante esta tesis muestran a los
HEMT de GaN como dispositivos prometedores, que se encuentran ya
muy cerca de su uso en aplicaciones reales, pero que todavía tiene
aspectos tecnológicos, de cara a su implantación en los diseños de
potencia actuales (tales como el encapsulado, circuitos de disparo, etc.),
que se espera, vayan mejorándose con la evolución de los procesos de
diseño y fabricación.
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