The use of silicon carbide (SiC) as a base material in power electronics has manyadvantages, including high breakdown voltage and excellent temperature endurance.However, the packaging of such electronics presents major challenges and there is aneed for packaging that can operate in higher temperature. The purpose of this thesishas been to develop a test method and verify the functionality of SiC powertransistors prototypes with a new packaging technique developed by Swerea IVF AB.It includes setting up an electrical test-bed for power and high temperature cyclingand analysis of the results. Even though test confirmed functionality after thepackaging process, (at room temperature) the performance seemed to have been reduced. This could be a result of the measurement setup and the packaging process.In higher temperature the transistors failed to operate longer than a couple ofminutes which showed the weaknesses in the design and the challenges with this typeof packaging.

This thesis consists of the compilation of four previous bachelor theses as well as the continued work that has been carried out within the SiC in Space project, which is a part of the student satellite project MIST in KTH. SiC in Space is a project whose aim is to examine and verify the characteristics of the semiconductor Silicon Carbide, SiC, in harsh environments, in space specifically. In order to carry out the tests on SiC, a PCB was designed, where the BJT measurement circuits, voltage circuits, selection of MCU as well as software, assembling and testing of the final PCB, were divided in four parts, due to the size of the project. This work discusses testing, programming and verifying of the previous designed PCB:s as well as the design of a new PCB which includes new requirements and specifications from MIST. A test oriented approach of programming was made to verify that the circuits met the desired functions in order to put together a complete programme for automatic measuring and communication with the satellite. The errors that were discovered in carried out tests, were adjusted for the new PCB, making it in accordance with all the requirements set by the MIST- and SiC group. / Detta examensarbete bygger vidare på de fyra tidigare kandidatuppsatserna som har avhandlats samt det fortsatta arbetet inom SiC in Space projektet, vilket ingår i KTHs student satellit projekt MIST. SiC in space är ett projekt vars ändamål är att undersöka och verifiera halvledarmaterialet kiselkarbid, SiC, karakteristik i tuffa miljöer, specifikt i rymden för detta projekt. För att kunna göra tester på SiC designades ett kretskort, där experimentkretsarna, spänningskretsar, val av mikrokontroller samt mjukvara och montering och testning av det slutgiltiga kortet delades upp i fyra delar på grund av omfattningen av projektet. Detta arbete avhandlar i synnerhet testning, programmering samt verifiering av tidigare designade PCB tillika designen av ett nytt PCB inkluderande nya krav och specifikationer från MIST. En testorienterad programmeringsansats gjordes för att verifiera att kretsarna uppfyllde de önskade funktionerna för att sedan sammanställa ett fullständigt program för automatisk mätning och kommunikation med satelliten. De fel som upptäckts efter utförda tester har justerats för den nya PCBn, vilket i dagsläget uppfyller alla krav satta av både MIST och SiC gruppen.

This paper describes the development of an experiment to test the characteristics and functionality of Silicon Carbide (SiC) components in a space environment. The experiment is a part the "Miniature Student Satellite" (MIST) project, and the "Work on Venus" project, both situated at KTH, Stockholm, Sweden The paper primarily covers the development and implementation of the experiments microcontroller and its software, whilst the construction and development of the test circuit for the transistors is carried out at the same time by another team, and therefore described in a separate paper. A microcontroller is selected for this experiment after consideration is taken to both the Low Earth Orbit environment where the experiment will take place, end the power consumption restrictions due to the limited amount of power available at the satellite itself. The software on the microcontroller is then developed to read temperature and voltage input from the different transistors under test, and transform the input data to a readable format sent to the satellites On Board Computer, which can then communicate the readings to the Earth Base Station. Apart from the software of the SiC experiment, a similar software solution on a similar microcontroller is developed for another experiment called MOREBAC, which will be placed on the same satellite. The main difference between the MOREBAC project and SiC in Space will be the type of data read on the input, the number of inputs and the format of the package sent to the On Board Computer. The final stage of the work for this thesis is the design and construction of a Printed Circuit Board. The board contains the microcontroller and connected components, the transistors to be tested, as well as power supplying components, covered in yet another thesis work. / Den här rapporten beskriver utvecklingen av ett experiment vars uppgift är att testa karaktäristiken och funktionaliteten hos Kiselkarbid(SiC)-komponenter i rymden. Experimentet, som går under namnet SiC in Space, är en del av "Minitature Student Satellite"-projektet (MIST), samt projektet "Working on Venus", vilka båda utförs på KTH, Stockholm, Sverige. Rapporten avhandlar huvudsakligen utvecklingen och implementationen av experimentets mikrokontroller samt den tillhörande mjukvaran, samtidigt som testkretsen för den transistor som undersökts utvecklades i ett annat projekt, och är således avhandlat i en annan rapport. En mikrokontroller valdes ut för projektet baserat både klimatet i "Low Earth Orbit" där satelliten kommer att befinna sig, samt de krav som ställdes på strömförbrukningen baserat på den begränsade strömförsörjningen på själva satelliten. Mjukvaran på mikrokontrollern utvecklades sedan för att avläsa temperaturvärden och spänningsnivåer vid testpunkter på transistorerna, för att sedan översätta denna data till ett läsbart format samt skicka den till satellitens omborddator, som i sin tur kan skicka datan till basstationen på jorden. Utöver den mjukvara som utvecklats till SiC in Space, utvecklades även en liknande lösning för ett annat experiment på satelliten, kallat MOREBAC. Den huvudsakliga skillnaden mellan de två mjukvarulösningarna är att de testpunkter som ska läsas av på MOREBAC skiljer sig både i antal och i utförande från de testpunkter som ska läsas på SiC in Space, samt det datapaket som sedan skickas till omborddatorn. Det slutgiltiga steget under detta projekt var sedan att designa och konstruera ett kretskort (PCB). Kretskortet innehåller både den mikrokontroller som avhandlas i denna rapport, transistorerna som ska testas, samt en strömförsörjningslösning som utvecklats i ytterligare ett parallellt projekt.

Since the first commercial silicon carbide (SiC) transistor was released, the interest in SiC has grown exponentially [1]. The wide energy band gap, high critical electric field and thermal conductivity of silicon carbide allow it to withstand higher voltage/current gains than conventional semiconductor materials [2]. The electrical properties of SiC enable integrated devices and circuits to operate at higher voltages and temperatures. One of the most attractive applications for SiC is in inverters for photovoltaic systems, where switching time is of great importance. This thesis presents the study of two bipolar junction transistors (BJT), FSICBH15A120 of SiC and BUV48A of conventional silicon (Si). The transistors were simulated and validated experimentally, then tested in a DC/AC pv inverter with a polycrystalline solar module of 36 solar cells as power source. The simulation results showed high efficiency and low power losses. / Sedan den första kommersiella transistorn av kiselkarbid (SiC) släpptes har intresset för SiC ökat exponentiellt [1]. Det breda energibandgapet, höga kritisk elektriska fältstyrkan och termiska ledningsförmågan i SiC gör att den klarar en högre kombination av spänning/strömförstärkning än konventionella halvledarmaterial [2]. De elektriska egenskaperna av SiC gör det möjligt för integrerade komponenter och kretsar att arbeta i högre spänningar och temperaturer. Ett av de största användningsområdena för SiC är i växelriktare för solceller, där switch-tid har stor betydelse. I detta examensarbete presenteras studien av två bipolära transistorer (BJT), FSICBH15A120 av SiC och BUV48A av konventionellt kisel (Si). Transistorerna simulerades och valideras experimentellt, och slutligen jämfördes med varandra i en DC/AC-omvandlare med en polykristallin solpanel av 36 solceller som strömkälla. Hög verkningsgrad och låga energiförluster påvisades.

Electronics today rely heavily on silicon transistors which are unsuitable for extreme environments where temperatures potentially could reach up to 500◦C. Materials other than silicon has been proposed to solve this problem, one of which is silicon carbide. Transistors made of silicon carbide can with-stand higher temperatures than its silicon counterparts and could potentially be used for exploring hostile planets such as Venus or in high temperature applications such as sensors for engines. This project is a part of KTHs student satellite initiative which will send a satellite into orbit containing several experiments. One of the experiments is the SiC in space project which is described in this thesis and is largely based on previous works in this particular project. The goal for this thesis is to ensure that the SiC in space experiment is ready for launch into orbit. This was done by conducting tests in differ-ent temperatures as well as developing software for analyzing data from the experiment as well as modifying already existing software. Based on these tests, it is concluded that the silicon carbide transistors behaves in an ex-pected way and that the platform which operates the experiment is capable of withstanding temperatures up to 100◦C. If the satellite survives launch it is most likely that the data generated by the SiC in space project will be of use for determining the suitability of silicon carbide for space applications. / Elektronik idag förlitar sig på kiseltransistorer som är olämpliga för extrema miljöer där temperaturer kan nå upp till 500◦C. Andra material än kisel har föreslagits för att lösa detta problem, där kiselkarbid är en av dem. Transistorer gjorda av kiselkarbid klarar av högre temperaturer än kiseltransistorer och kan potentiellt användas för utforskning av planeter med extrema klimat eller för applikationer vid höga temperaturer så som sensorer inne i motorer. Detta projekt är en del av KTHs student satellit som kommer sändas ut i omloppsbana runt jorden bärandes på ett antal olika experiment, däribland dem finns ”SiC in space” projektet som beskrivs i denna uppsats. Målet med arbetet i denna rapport är att säkerställa att ”SiC in space” experimentet är redo för uppskjutning till rymden. Detta gjordes genom att testa vid olika temperaturer och genom att utveckla mjukvara för analysering av experimentdata samt genom små modifieringar av mjukvara skriven i tidigare arbeten. Baserat på de tester som har genomförts dras slutsatsen att kiselkarbidtransistorn har en acceptabel karaktäristik och att plattformen som kör experimentet klarar av temperaturer upp till 100◦C. Om satelliten överlever uppskjutning ut i rymden kommer med största sannolikhet experimentet att fungera som önskat och generera data som kan påvisa ifall kiselkarbid är lämpligt för applikationer i rymden.

Silicon Carbide, a wide band gap (WBG) semiconductor, has pushed electrical limits beyond Silicon (Si) when it comes to power electronics. It has offered the electrification of society showing promise for a greener future. However, owing to higher material defects, particularly at the oxide/semiconductor interface, threshold voltage (VTH) instability has been a persistent problem. This thesis examines the drift in VTH when a bipolar ac gate bias stress is applied to 4H-SiC MOSFETs. For this purpose, a gate stress setup using a gate driver IC is created. This is followed by a measure-stress-measure (MSM) sequence at varying gate voltages to study the effects of VGS,on, VGS,off, and voltage overshoots on the drift. Two critical VGS,off biases are found. The drift is negligible until the first critical point, accelerated, between the first and second bias, and decelerated beyond the second point with degradation of the oxide. Overshoots/undershoots in the gate drive loop shows an excess drift of 37.77% with only undershoots contributing entirely to this percentage. Drift at higher temperature is smaller than at room temperature but with changing slope. After 400 hours of stress at +18/ − 8V, a VTH drift of 17.5% while a RDS,on drift of only 2.5 % is measured. End of life VTH for devices in this thesis show a drift of 280mV at the automotive application switching limit and 500mV at the solar applications switching limit. The findings are intended for better understanding of device performance limits at high switching cycles and voltage biases. / Bredbandgapsmaterialet kiselkarbid har utvidgat gränserna för kraftelektronikens elektriska prestanda jämfört med vad som går att åstadkomma med kisel. Kiselkarbiden har gett nya möjligheter för samhällets elektrifiering vilket är lovande för en grön framtid. På grund av materialdefekter speciellt vid gränsytan mellan kiselkarbid (SiC) och kiseldioxid har det varit ett bestående problem med drivande tröskelspänning. Det här examensarbetet undersöker drift för tröskelspänningen då gate-terminalen i en 4H-SiC MOSFET utsätts för en bipolär alternerande spännings-stress. För detta ändamål har en mätuppställning med en IC-krets för gate-styrning byggts upp. Detta följs av en mät-stress-mät sekvens för varierande gate-source spänningar (VGS) för att studera effekter av VGS,on,VGS,off och spännings-överslängar på tröskelspänningsdriften. Två kritiska nivåer för VGS,off har påvisats. Tröskelspänningsdriften är försumbar före den första nivån, accelererad mellan den första och andra nivån, och retarderad efter den andra nivån med degradering av gate-oxiden. För överslängar och underslängar i gate-spänningen syns en extra tröskelspänningsdrift på 37.77 % där enbart underslängarna bidrar till driften. Tröskelspänningsdriften vid högre temperatur är mindre än vid rumstemperatur men med förändrad lutning för subtröskelspänningskarakteristiken. Efter 400 timmars stress med +18V/-8V, uppmättes en tröskelspänningsdrift på 17.5 % men endast 2.5 % drift för on-resistansen. Vid slutet av förväntad livstid i form av switch-cykler uppmättes 280 mV drift för biltillämpningar och 500 mV för solpanelstillämpningar. Resultaten är ämnade att förbättra förståelsen för komponentprestandans begränsningar efter ett stort antal switch-cykler och olika gate-source spänningar.

This paper describes work related to the “Miniature Student Satellite” (MIST) project and the ”SiC in Space” project, located at KTH, Stockholm, Sweden. The goal of the MIST project is to launch KTH’s first student satellite into space, carrying multiple scientific experiments where SiC in Space is included. This thesis contains a compilation of three MIST-related bachelor theses that were carried out at KTH in the spring of 2016, primarily consisting of constructing and testing circuits for power supply and measurements for the SiC in Space part of the satellite. A printed circuit board has been developed, which accommodates experiment circuits to evaluate the features and functionality of silicon carbide components in a space environment, and power the supply to the SiC in Space and the Piezo LEGS projects. The development includes designing, assembling and testing the PCB according to the MIST team’s demands and requirements. Emphasis has been laid on electrical safety to ensure that the design can not short circuit the satellite battery, as well as EMC considerations to minimize the EMI between different parts of the satellite. Final testing of the hardware has not been executed due to an ordering error and time shortage, wherefore the planned test protocol has been included for future work. / Denna kandidatuppsats beskriver arbete relaterat till “Miniature Student Satellite” (MIST)-, samt SiC in Space-projekten, vid KTH, Stockholm, Sverige. MIST-projektets mål är att skicka KTH:s första studentsatellit till rymden, där SiC in Space är ett av flera medföljande vetenskapliga experiment. Detta projekt sammanställer tre examensarbeten relaterade till MIST som genomfördes vid KTH under våren 2016, huvudsakligen bestående av att konstruera och testa kretsar för strömförsörjning samt mätningar för SiC in Space-delen av satelliten. Ett kretskort som innehåller experimentkretsar för att utvärdera egenskaper och funktionalitet för komponenter av materialet kiselkarbid i en rymdmiljö, samt strömförsörjningskretsar till SiC in Space- och Piezo LEGS-projekten har utvecklats. Utvecklingen omfattar design, montering and testning av kretskortet enligt MIST-gruppens krav. Tonvikt har lagts på elsäkerhet för att säkerställa att designen inte kan kortsluta satellitens batteri, såväl som EMC för att minimera EMI mellan olika delar av satelliten. Slutgiltig testning av hårdvaran har ej kunnat genomföras på grund av tidsbrist beroende på ett beställningsfel. Därför har det planerade testprotokollet inkluderats för framtida arbete.

GaN-HEMTs (Gallium Nitride-based High Electron Mobility Transistors) have, thanks to the large band gap of GaN, electrical properties that are suitable for applications of high electrical voltages, high currents, and fast switching. The large band gap also gives GaN-HEMTs a high resistance to radiation. In this degree project, the effects of 2 MeV proton irradiation of GaN-HEMTs constructed on both silicon carbide and silicon substrates are investigated. 20 transistors per substrate were irradiated in the particle accelerator 5 MV NEC Pelletron in the Ångström laboratory at Uppsala University. These transistors were exposed to radiation doses in the range of 10^11 to 10^15 protons/cm^2. The analysis shows that both transistors on silicon, as well as silicon carbide, are unaffected by proton irradiation up to a dose of 10^14 protons/cm^2. GaN-on-Si transistors show less influence of radiation than GaN-on-SiC transistors. The capacitances between gate and drain as well as drain and source for both GaN-on-SiC and GaN-on-Si HEMTs show hysteresis as a function of forward and backward gate voltage sweeps for the radiation dose of 10^15 protons/cm^2. / GaN-HEMTs (Galliumnitridbaserade High Electron Mobility Transistors) har tack vare det stora bandgapet i GaN goda elektriska egenskaper som lämpar sig för höga elektriska spänningar, höga strömmar och snabb växling mellan av- och på-tillstånd. Det stora bandgapet ger även GaN-HEMTs ett stort motstånd mot strålning.I detta examensarbete undersöks effekterna av 2 MeV protonbestrålning av GaN-HEMTs. Dessa HEMTs är konstruerade på både kiselkarbid- och kiselsubstrat.20 transistorer per transistorsubstrat bestrålades i partikelacceleratorn 5 MV NEC Pelletron i Ångströmslaboratoriet vid Uppsala Universitet. Dessa transistorer utsattes för strålningsdoser inom intervallet 10^11 till 10^15 protoner/cm^2. Resultaten visar att både tranisistorer på kisel såsom kiselkarbid är opåverkade av strålning upp till en dos av 10^14 protoner/cm^2. GaN-på-Si-transistorer visar en mindre påverkan av protonstrålning än GaN-på-SiC-transistorer. Ytterligare uppstod hysteresis för kapacitanser mellan gate och drain och mellan gate och source som en funktion av fram- och bakriktad gate-spänning efter en strålningsdos av 10^15 protoner/cm^2.

Silicon is the main material used in electronics. The evolution of power electronics and the need for more power efficient semiconductor devices led silicon to its limits. Silicon carbide is a promising material for electronic applications with a wide band-gap, high critical electric field, high thermal conductivity and saturation velocity. Except from its superiority to silicon, silicon carbide comes with a drawback of about two orders of magnitude more interface traps in the SiC/SiO2 interface compared with silicon. A result of this drawback is a flat-band voltage shift when applying a stress to the gate of MOS capacitors and power MOSFETs. In order to study the pure characteristics of the SiC/SiO2 interface, two stress methods, a current pulse stress and gate voltage upsweep, have been applied on 4H-SiC capacitors with nitrided thermal oxides at room temperature and at higher temperatures. The flat-band voltage recovery was examined. The flat-band voltage could be restored at room temperature with a gate voltage downsweep while a restoration is not needed at higher temperatures. The maximum voltage (initial voltage) and the voltage rate of the downsweep were investigated and higher initial voltages and lower voltage rates showed to lead to better VFB restoration. A 200 millisecond long current pulse stress was implemented and it had almost similar effects as the voltage upsweep which lasts 50 seconds. / Kisel är det viktigaste materialet som används i elektronik. Utvecklingen av kraftelektronik och behovet av mer energieffektiva halvledarkomponenter ledde kisel till sina gränser. Kiselkarbid är ett lovande material för elektroniska applikationer med ett brett bandgap, högt kritiskt elektriskt fält, hög värmeledningsförmåga och hög mättningshastighet. Förutom dess överlägsenhet gentemot kisel, kommer kiselkarbid med en nackdel med cirka två storleksordningar fler gränssnittsfällor i SiC / SiO2-gränssnittet jämfört med kisel. Ett resultat av denna nackdel är en förskjutning av flatbands-spänningen, VFB, när man applicerar en spänning på gaten till MOS-kondensatorer och kraft- MOSFETar. För att studera de rena egenskaperna hos SiC/SiO2-gränssnittet har två spänningsmetoder, en strömpulsstress och ett uppåtriktat gate-spänningssvep, applicerats på 4H-SiC- kondensatorer med nitriderade termiska oxider vid rumstemperatur och vid högre temperaturer. Återställning av VFB undersöktes. VFB kan återställas vid rumstemperatur med ett nedåtriktat gate-spänningssvep medan en återställning inte behövs vid högre temperaturer. Den maximala spänningen (initialspänningem) och svephastigheten för det nedåtriktade svepet undersöktes och högre initialspänningar och lägre svephastigheter visade sig leda till bättre VFB-återställning. En 200 millisekund lång strömpuls-stress implementerades och den hade nästan samma effekter som ett uppåtriktat spänningssvep

SiC in Space is one of the experiments on KTH’s miniature satellite, MIST. The experiment carries out tests on bipolar junction transistors of silicon and silicon carbide. This thesis describes how the characteristics of a transistor can be measured using analog circuits. The presented circuit design will work as a prototype for the SiC in Space experiment. The prototype measures the base current, the collector current, the base-emitter voltage as well as the temperature of the transistor. This thesis describes how a test circuit may be designed. The selected design has been constructed in incremental steps, with each design choice explained. Different designs have been developed. The designs have been verified with simulations. We have also constructed and tested three different prototypes on breadboards and printed circuit boards. / SiC in Space är ett av experimenten på KTHs miniatyrsatellit, MIST. Experimentet utför test på bipolära transistorer av kisel och kiselkarbid. Detta examensarbete förklarar hur transistorns karakteristik kan mätas med analoga kretsar. Den framtagna kretsdesignen kommer att fungera som en prototyp till SiC in Space-experimentet. Prototypen mäter basströmmen, kollektorströmmen, bas-emitter-spänningen samt temperaturen för transistorn. Detta examensarbete förklarar hur en testkrets kan designas. Den valda designen byggs i inkrementella steg, där varje designval förklaras. Olika designer har utvecklats. Designerna har verifierats genom simuleringar. Vi har också konstruerat och testat tre olika prototyper på kopplingsdäck och kretskort.