馬 青，冉 立，胡博容，曾 正，劉清陽

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044）

SiC MOSFET靜態(tài)性能及參數(shù)溫度依賴性的實驗分析及與Si IGBT的對比

馬 青，冉 立，胡博容，曾 正，劉清陽

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044）

碳化硅SiC（silicon carbide）MOSFET作為新型的電力電子器件，具有不同于Si IGBT的電熱特性，且其靜態(tài)特性在寬溫度范圍內(nèi)變化特性并不明確。以SiC MOSFET為研究對象，從器件的工作原理入手，結(jié)合Si IGBT對比，分析了其靜態(tài)特性及寄生參數(shù)受溫度的影響，并在-55℃至165℃準(zhǔn)確測量了包括閾值電壓、導(dǎo)通電阻、泄漏電流、輸出特性及寄生參數(shù)在內(nèi)的多個參數(shù)，實驗結(jié)果符合理論分析。根據(jù)實驗結(jié)果分析了各項性能參數(shù)的溫度敏感性，結(jié)果表明：SiC MOSFET靜態(tài)性能及參數(shù)與溫度具有極強的相關(guān)性；與Si IGBT相比，溫度依賴性更為明顯，并且能夠為器件結(jié)溫測量及SiC MOSFET電力電子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測提供理論依據(jù)與實驗基礎(chǔ)。

SiC MOSFET;IGBT;靜態(tài)性能;寄生參數(shù);結(jié)溫;狀態(tài)監(jiān)測

引言

功率半導(dǎo)體器件的狀態(tài)監(jiān)測，對于其運行評估和壽命預(yù)測都有顯著的影響［1］。碳化硅SiC（silicon carbide）器件將廣泛應(yīng)用于電動汽車、多電飛機等高功率密度、高結(jié)溫、高可靠的場合，所以保證其工作信息（如結(jié)溫等）的及時、準(zhǔn)確和可靠反饋顯得十分必要［2］，便于評估功率器件的運行和老化情況。器件的結(jié)溫?zé)o法簡單地直接測量，所以需要通過對溫度敏感的電參量TSEPs（temperature sensitive electrical parameters）來間接確定結(jié)溫［3］。實際應(yīng)用中，無論是仿真還是建模分析，TSEPs相關(guān)的理論模型和實驗結(jié)果，都是不可或缺的基礎(chǔ)［4,5］。

SiC的禁帶寬度約是傳統(tǒng)Si的3倍［6］。寬禁帶使基于新型材料制造的SiC MOSFET器件的泄漏電流減小，使器件能適應(yīng)更高溫度的工作環(huán)境［7］。此外，熱導(dǎo)率是Si的3倍以上［8］，更有助于器件散熱，從而提高功率密度及器件集成度。SiC材料的上述特性決定了SiC MOSET器件的應(yīng)用場合將會趨于高功率、高頻率以及高環(huán)境溫度，要求對于器件運行工況的實時監(jiān)測，準(zhǔn)確測量器件結(jié)溫，從而保證極端工況下器件的可靠性和穩(wěn)定性。

隨著SiC器件的廣泛應(yīng)用，針對器件特性的研究也逐漸深入［9,10］。由于SiC MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，其簡單的驅(qū)動電路及與現(xiàn)有的功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驅(qū)動電路的兼容性，使其成為最受矚目的SiC功率開關(guān)器件［6］。文獻［11］闡述了耐高溫變換器的研究進展，但對于SiC器件本身的溫度特性分析不夠透徹；文獻［12］對高壓SiC器件在固態(tài)變壓器中的應(yīng)用進行了深入分析，仍未考慮器件特性與溫度的依賴性。

本文通過對多種SiC MOSFET的測試，得到了其在-55℃到165℃范圍內(nèi)的靜態(tài)特性和寄生參數(shù)的定量分析，進而討論了在實際測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的擬合函數(shù)，分析了其準(zhǔn)確性和靈敏度。分析結(jié)論為SiC MOSFET的實時結(jié)溫測量、運行狀態(tài)評估及壽命預(yù)測提供了初步理論和實驗基礎(chǔ)。

1 器件靜態(tài)特性物理機理分析

1.1 器件工作原理

圖1給出了SiC MOSFET元胞結(jié)構(gòu)，它是以低摻雜的P型SiC半導(dǎo)體材料為襯底，用擴散工藝制作出兩個高摻雜的N+區(qū)，在P型半導(dǎo)體表面上生成一層氧化層薄膜絕緣層，從兩個N+區(qū)引出兩個金屬電極，分別是源極和漏極，在氧化絕緣層上制作金屬電極，作為柵極。由于MOSFET的源極和漏極之間存在一個PN結(jié)，等效為寄生二極管，其正極和負(fù)極分別是功率SiC MOSFET的源極和漏極。由于寄生二極管與功率SiC MOSFET組成了一個整體，因此它對功率器件整體的靜態(tài)特性與參數(shù)的影響不可忽略。

圖1 SiC MOSFET的元胞結(jié)構(gòu)Fig.1 Cell Structure of SiC MOSFET

圖2 Si IGBT的元胞結(jié)構(gòu)Fig.2 Cell Structure of Si IGBT

IGBT的元胞結(jié)構(gòu)如圖2所示。與MOSFET相比，IGBT多了一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個基極電流由MOS柵壓控制的雙極性晶體管。與MOSFET的關(guān)斷過程不同的是，由于PNP晶體管的存在，IGBT在溝道消失后載流子的消失還需要一定的復(fù)合時間，會形成相應(yīng)的拖尾電流，使關(guān)斷損耗提高。

1.2 器件靜態(tài)特性主導(dǎo)因素

功率器件相關(guān)的基本性質(zhì)，與能帶寬度、本征載流子濃度、載流子遷移率、碰撞電離系數(shù)、介電常數(shù)、導(dǎo)熱率、電子親和力等多個物理本質(zhì)因素有關(guān)。針對溫度依賴特性的功率器件靜態(tài)特性和寄生參數(shù)，重點分析以下主導(dǎo)因素。

1.2.1 本征載流子濃度

由熱在半導(dǎo)體禁帶間產(chǎn)生的電子-空穴對決定著本征載流子的濃度，該參數(shù)直接影響功率器件泄漏電流的數(shù)量級，而Si IGBT和SiC MOSFET的本征載流子濃度特性具有非常大的差異，并且該參數(shù)具有明顯的溫度變化特性，可使用禁帶寬度EG和導(dǎo)帶NC和價帶NV的態(tài)密度計算［13］，即

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J·K-1；T為熱力學(xué)溫度。

4H-SiC的能帶寬度是Si的3倍，這導(dǎo)致在任一給定溫度下4H-SiC本征載流子濃度低得多。Si和4H-SiC的本征載流子濃度分別為

利用式（2）和式（3）可繪制本征載流子濃度與溫度的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 Si和4H-SiC的本征載流子濃度Fig.3 Intrinsic carrier concentration of Si and 4H-SiC

由圖可見，由于巨大的禁帶寬度差異，4H-SiC的本征載流子濃度遠(yuǎn)小于Si，這表明SiC-MOSFET和Si-IGBT在PN結(jié)截止時，流過電極的泄漏電流存在幾個數(shù)量級的差異。

1.2.2 載流子遷移率

載流子遷移率描述了載流子在半導(dǎo)體中發(fā)生漂移的難易程度，表征單位場強作用下載流子的平均漂移速度，與半導(dǎo)體內(nèi)的多個物理參數(shù)密切相關(guān)。載流子遷移率可表示為載流子類型（電子或空穴）、摻雜濃度和結(jié)溫的函數(shù)。在低摻雜濃度（小于1015cm-3）情況下，SiC MOSFET和Si IGBT漂移區(qū)內(nèi)載流子遷移率與溫度的關(guān)系［14］為

式中，k1、k2、k3均為與材料相關(guān)的常系數(shù)。由此可得，兩種器件在漂移區(qū)的載流子遷移速率隨溫度升高迅速減小。由于半導(dǎo)體內(nèi)電阻率與載流子遷移率成反比，功率器件漂移區(qū)、積累層及溝道內(nèi)載流子遷移率隨溫度升高而減小，導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)域電阻率上升。當(dāng)上述區(qū)域電阻為主導(dǎo)電阻時，器件導(dǎo)通電阻隨溫度上升而增加。

1.2.3 耗盡層寬度

在P型襯底的器件金屬極上加正偏壓時，由于能帶彎曲，在半導(dǎo)體內(nèi)形成一個耗盡區(qū)。耗盡區(qū)寬度計算公式［13］為

式中：εS為相對介電常數(shù)；q為單位電荷量；NA為受主摻雜濃度?？梢姾谋M層寬度與溫度密切相關(guān)，而半導(dǎo)體的特征電容為

可見，器件特征電容具有溫度依賴性，隨溫度上升，耗盡層寬度增大，器件特征電容則呈現(xiàn)下降趨勢。但由于特征電容是器件本體寄生參數(shù)，存在多方面的交叉影響，因此通過實驗的方法直接獲取寄生電容隨溫度的變化特性參數(shù)具有實際意義。

1.2.4 半導(dǎo)體總電荷

半導(dǎo)體中的總電荷［13］可以表示為

式中，p0為半導(dǎo)體內(nèi)空穴濃度。一旦MOS結(jié)構(gòu)進入強反型工作區(qū)后，反型層中的載流子密度足夠大，從而允許有導(dǎo)電電流流過MOSFET溝道。當(dāng)半導(dǎo)體表面進入強反型模式時，表面電勢ΨS等于體電勢ΨB的2倍。對于閾值電壓，則有

式中：COX為氧化層的特征電容。

式中：ni為本征載流子濃度。將式（9）、式（11）代入式（10），則有

當(dāng)溫度上升時，相對介電常數(shù)εs增大，本征載流子濃度ni隨溫度增加迅速，且與閾值電壓呈負(fù)相關(guān)，由式（12）可知，功率MOSFET閾值電壓具有非常靈敏的溫度依賴性。

2 溫度依賴特性測試方法

半導(dǎo)體功率器件的性能參數(shù)分為寄生參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)特性。由于SiC器件的開關(guān)速度為納秒級，所以其動態(tài)特性很難被實時測量，導(dǎo)致器件的狀態(tài)監(jiān)測不很現(xiàn)實。因此選擇寄生參數(shù)和靜態(tài)特性來進行結(jié)溫監(jiān)測和運行狀態(tài)評估。這些特性和結(jié)溫的關(guān)系可以分為3類：線性相關(guān)、二次相關(guān)和指數(shù)相關(guān)，分別表示為

式中：Tj為結(jié)溫；a、b、p1、p2、p3，m、n均為擬合系數(shù)。

實驗選用Cree公司的SiC MOSFET（C2M0080 120D/1 200 V/45 A）、Rohm公司的 SiC MOSFET（SCT2080KE/1 200 V/40 A）和 Semikron公司 Si IGBT（SKM50GB12T4/1 200 V/50 A）作為實驗被測器件DUT（device under test）。雖然器件封裝類型不同，但溫度特性主要是受芯片影響產(chǎn)生的，芯片電熱特性與封裝關(guān)系不大。實驗測試原理及實驗平臺如圖4所示。

圖4 測試原理及實驗平臺Fig.4 Testing principle and platform

圖4（a）為DUT在多種結(jié)溫和實際應(yīng)用工作狀態(tài)下的測量原理。圖4（b）為當(dāng)柵-源極的功率脈沖和脈沖幅度變化時，測量穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)測試點的電壓。保持恒定的柵極電壓，通過反復(fù)改變源-漏極的工作條件來估算導(dǎo)通狀態(tài)下不同工作情況的器件特性。測試模式分為脈沖測試模式及導(dǎo)通測試模式（圖4（c））。DUT置于高低溫試驗箱中，測試溫度范圍為-55℃到165℃，DUT其柵極接入B1505中電流驅(qū)動電源模塊，提供正偏和反偏驅(qū)動電壓；DUT柵源極接B1505中3 kV/1.5 kA功率電源模塊。

實驗平臺如圖4（d）所示，將被測器件放入恒溫箱中，通過導(dǎo)線連出，接入Agilent公司B1505功率器件測試儀。設(shè)置恒溫箱溫度，在不同溫度下測試器件靜態(tài)性能和寄生參數(shù)。

3 實驗分析

3.1 閾值電壓

本文用線性外推法［15］，通過截取柵極電壓Vg傳輸特性曲線的正切最大值再減去漏源極電壓Vds的α倍，實驗取Vds=10 V，α=0.6，獲得SiC MOSFET的閾值電壓。SiC MOSFET與Si IGBT閾值電壓溫度特性如圖5所示。圖5（a）可見，SiC MOSFET的閾值電壓隨溫度增加而降低；跨導(dǎo)則存在一個峰值，且峰值隨溫度上升而下降；考慮閾值電壓和最大跨導(dǎo)的參數(shù)，可以有效地評估碳化硅器件受結(jié)溫影響的傳輸特性。由于二階擬合曲線的系數(shù)為10-5數(shù)量級，在保證精度的情況下，Vth（Gm）和Tj之間的關(guān)系可以近似為一階線性。跨導(dǎo)不能直接反映功率器件的溫度特征，而是根據(jù)I-V特性計算所得；Vth則可以直接反映功率器件運行特性，特別是導(dǎo)電狀態(tài)，從而直接監(jiān)測設(shè)備結(jié)溫。

由圖5（b）可見，SiC MOSFET的閾值電壓隨結(jié)溫變化相對于Si IGBT具有更高的敏感度。結(jié)溫從-55℃到+165℃變化范圍內(nèi)，SiC MOSFET的閾值電壓下降了50%，因此在高溫工作狀態(tài)下，應(yīng)充分考慮閾值電壓的下降帶來誤導(dǎo)通的影響。

當(dāng)柵極電壓增加達(dá)到Vth時，器件開始進入強反型工作區(qū)，此時氧化層承受電壓為器件閾值電壓。因此氧化層中及其與半導(dǎo)體界面中的陷阱電荷會改變,使MOSFET閾值電壓出現(xiàn)漂移［16,18］。當(dāng)氧化層電荷量增加時，柵極需要更大的電壓使器件導(dǎo)通，表現(xiàn)為閾值電壓升高。

圖5 SiC MOSFET與Si IGBT閾值電壓溫度特性Fig.5 Threshold voltage temperature characteristics of SiC MOSFET and Si IGBT

文獻［19］通過測量SiC樣品在不同溫度下閾值電壓發(fā)現(xiàn)，器件運行結(jié)溫與閾值電壓負(fù)相關(guān)。當(dāng)器件結(jié)溫下降，空穴能量降低難以越過界面態(tài)進入襯底中，且被陷于氧化層中空穴陷阱的載流子從晶格振動中獲得的能量減小，難以掙脫陷阱，使得氧化層電荷增加，閾值電壓大幅升高。通過長時間柵極可靠性實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)柵極施加脈沖正向電壓，閾值電壓會隨實驗時間呈對數(shù)增長；當(dāng)柵極施加脈沖負(fù)向電壓時，閾值電壓會隨時間呈對數(shù)下降。

3.2 導(dǎo)通電阻

SiC MOSFET的總特征導(dǎo)通電阻由源極接觸電阻RCS、源電阻RN+、溝道電阻RCH、積累層電阻RA、JFET電阻RJFET、漂移區(qū)電阻RD、襯底電阻RSUB以及漏極接觸電阻RDS相加計算得到。其結(jié)構(gòu)分布如圖6所示。

由于SiC MOSFET結(jié)構(gòu)中漏源極之間的電流通路上的各個部分電阻是串聯(lián)的，所以總的導(dǎo)通電阻是各部分電阻之和。其中溝道電阻RCH以及積累層電阻RA之和約占整個導(dǎo)通電阻的70%［13］，計算公式為

圖6 SiC MOSFET導(dǎo)通電阻結(jié)構(gòu)分布Fig.6 Structure distribution of SiC MOSFET conduction resistance

式中：LCH為溝道長度；Wcell為器件元胞寬度；μni為柵氧層厚度。參數(shù)LCH、Wcell、μni和COX均為器件本體的固有參數(shù)。

由式（16）、式（17）可見，RCH和RA均與閾值電壓Vth相關(guān)。由第3.1節(jié)分析可知，Vth具有溫度依賴性，隨溫度上升呈下降趨勢，因而可以認(rèn)為RCH和RA也具有變溫度特性，且阻值隨溫度上升而增大。

SiC MOSFET與Si IGBT導(dǎo)通電阻的溫度特性如圖7所示。由圖7（a）可見，由于測試系統(tǒng)的誤差引起不穩(wěn)定，當(dāng)漏源極電流Id較小時，導(dǎo)通電阻Ron的波動很嚴(yán)重；當(dāng)Id較大值時，這個波動可以忽略。實驗表明，在正常的工作狀態(tài)下，無論漏極電流是何種狀態(tài)，漏源極間電阻Rds,（on）保持不變，并且隨著Tj的增加而呈現(xiàn)先小幅度減小而后大幅度增加的趨勢，這是由于在不同的溫度范圍內(nèi)，起主導(dǎo)作用的電阻分別不同，低溫（Tth＜-40℃）時導(dǎo)通電阻隨溫度上升而略有下降，如圖7（b）所示。因此，Rds,（on）和Tj之間的關(guān)系在高溫時可以認(rèn)為是線性的，并且可以作為監(jiān)測SiC MOSFET結(jié)溫的一個參數(shù)。

Si IGBT的導(dǎo)通電阻則隨集射極的電流的變化而變化，如圖7（c）。尤其在集射極電流小于10 A時，Si IGBT導(dǎo)通電阻明顯抬升，導(dǎo)通損耗隨之增大。

圖7 SiC MOSFET與Si IGBT導(dǎo)通電阻溫度特性Fig.7 Conduction resistance temperature characteristics of SiC MOSFET and Si IGBT

3.3 泄漏電流

由于電子隧穿效應(yīng)，電子有機會在氧化層形成一個潛在的能量勢壘產(chǎn)生泄漏電流。泄漏電流與本征載流子濃度密切相關(guān)，SiC器件的本征載流子濃度相對于Si器件更低，但隨著溫度上升，本征載流子濃度隨之上升，使泄漏電流增大。且離子活化能與溫度有正相關(guān)系數(shù)，因此在高結(jié)溫下，SiC MOSFET需要較低的柵極電壓Vgs給柵極氧化層充電。

Si IGBT泄漏電流的溫度特性如圖8所示。漏電流測量應(yīng)選擇柵極電壓為-5 V或+22 V時的特定值。圖8（a）為Vg=-5 V在不同結(jié)溫下的柵極泄漏電流，當(dāng)結(jié)溫超過允許的工作溫度Tj=125℃時，電流柵極泄漏電流隨結(jié)溫增加成指數(shù)級增長。

圖8 Si IGBT泄漏電流溫度特性Fig.8 Si IGBT leakage as current a function of Tj

當(dāng)柵極和發(fā)射極接地而集電極偏置，集射極可測得泄漏電流。如圖8（b）所示，低溫下，當(dāng)集射極電壓從0.8 kV上升到1 kV，可以保持低于1μA的泄漏電流。但集射極電壓超過1 kV時，泄漏電流增加20%。不同的結(jié)溫下泄漏電流的指數(shù)趨勢如圖8（c）所示。

圖9 SiC MOSFET泄漏電流溫度特性Fig.9 SiC MOSFET leakage current as a function of Tj

SiC MOSFET泄漏電流的溫度特性如圖9所示。SiC MOSFET柵極泄漏電流，如圖9（a），在柵極電壓較小（0～1.5 V）范圍內(nèi)存在非線性振蕩，存在小幅值波峰，但當(dāng)柵極電壓較大時，柵極泄漏電流與柵極電壓保持穩(wěn)定的一次線性關(guān)系，并具有明顯的溫度依賴性。圖9（b）為Vg=22 V時柵極-源極正向和負(fù)向漏電流Ig,（off）、柵極充電能量、柵極充電位置Vgcp與結(jié)溫之間的關(guān)系，分別可以擬合為指數(shù)、線性及二次函數(shù)關(guān)系。無論柵極驅(qū)動電壓處于正向或反向偏置狀態(tài)，漏電流的幅值均隨結(jié)溫上升而增大，與理論分析一致。SiC MOSFET漏源極泄漏電流Id,（off）主要由邊緣直接隧穿電流和PN結(jié)反向漏電流構(gòu)成。當(dāng)結(jié)溫度低于50℃時，由于本征載流子濃度與溫度正相關(guān)，泄漏電流主要是由勢壘電流構(gòu)成。當(dāng)結(jié)溫度大于50℃時，泄漏電流主要由反向擴散電流，并與本征載體濃度呈平方關(guān)系，如圖9（d）所示。小型器件漏極電壓和結(jié)溫都較高，開斷泄漏電流將隨邊緣直接隧穿電流增加而增加。Id,（off）和Tj成指數(shù)關(guān)系變化。

3.4 輸出特性

正常工作狀態(tài)下，器件工作在輸出特性飽和區(qū)，在低柵極驅(qū)動電壓前提下，MOSFET漏極飽和電流的表達(dá)式為

式中，Z為溝道寬度；由式（18）可以看出，飽和漏電流隨柵極電壓呈平方關(guān)系增大，即平方率特性；同時，飽和漏電流與閾值電壓也呈平方關(guān)系，表現(xiàn)出變溫度特性。

在脈沖模式下測試SiC MOSFET和Si IGBT輸出特性，如圖10所示。在低驅(qū)動電壓Vg=8 V下，輸出電流隨溫度上升而增加，但當(dāng)驅(qū)動電壓增加，即SiC MOSFET驅(qū)動電壓Vg=24 V、Si IGBT驅(qū)動電壓Vg=15 V時，正常工作狀態(tài)，將產(chǎn)生一個高溫衰減效應(yīng)，輸出電流隨溫度上升而大幅下降，如圖10（a）、（c）所示；考慮Vg和Tj的影響，為直觀分析這一現(xiàn)象，在SiC MOSFET和Si IGBT輸出特性三維圖中截取剖面，在該交界面上，器件輸出特性不隨溫度變化，如圖10（b）、（d）所示。

圖10 SiC MOSFET與Si IGBT輸出特性與溫度關(guān)系Fig.10 Output characteristics of SiC MOSFET and Si IGBT

由圖10（b）可見，SiC MOSFET在低導(dǎo)通電流下，正向?qū)妷号c結(jié)溫成二次關(guān)系；在較低導(dǎo)通電壓下，導(dǎo)通電流在小范圍內(nèi)與結(jié)溫成一次線性相關(guān)。

3.5 體二極管

SiC MOSFET內(nèi)部的體二極管其本質(zhì)是由于漏源極之間存在一個PN結(jié)，其外特性等價于反并聯(lián)二極管。SiC MOSFET體二極管參數(shù)特性與溫度關(guān)系如圖11所示。圖11（a）中，測得SiC MOSFET體二極管導(dǎo)通壓降遠(yuǎn)大于同等電壓電流等級的Si MOSFET（IXFK20N120P，Vds_max=1.5 V），這是由于兩種材料的MOSEFT漏源極之間的PN結(jié)導(dǎo)通電阻差異較大，其導(dǎo)通電阻主要為Rdiode=RCH+RA，見圖6。根據(jù)式（16）、式（17），二極管導(dǎo)通電阻的表達(dá)式除結(jié)構(gòu)參數(shù)外，與載流子遷移率μ直接相關(guān)，而材料的載流子遷移率［13］（μSi=420 cm2/Vs，μ4H-SiC=115 cm2/ Vs，25℃）有較大差異，使得SiC MOSFET體二極管導(dǎo)通壓降較大。

圖11 SiC MOSFET體二極管參數(shù)特性與溫度關(guān)系Fig.11 Parameter characteristics of SiC MOSFET body diode

在脈沖測試模式下，根據(jù)實際工作條件，設(shè)置柵極-源極電壓Vgs從-6 V至22 V可調(diào)，可測得SiC-MOSFET體二極管導(dǎo)通特性隨溫度變化的趨勢。實驗結(jié)果表明，當(dāng)MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)（Vgs=-6 V），反向偏置體二極管導(dǎo)通壓降隨結(jié)溫的上升而下降；但當(dāng)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)（Vgs=22 V），反向偏置體二極管導(dǎo)通壓降隨溫度增加反而上升。

進一步試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Vgs處于-6 V至22 V的中間電壓狀態(tài)，存在一個過渡區(qū)，在該區(qū)域中，結(jié)溫對反向偏置體二極管電流特性幾乎沒有影響。二極管的反向偏置電流特性隨柵極電壓、漏源極電壓、結(jié)溫變化的三維剖析如圖11（b）所示。其中粗實線代表臨界時的剖面。

由圖11（c）可見，漏源極電壓在反向偏置體二極管電流較?。↖d,dio＜2 A）時，溫度特性不明顯，而在體二極管反向偏置電流增大到5 A以上時，漏源極電壓隨結(jié)溫下降明顯。

體二極管正向?qū)娮?，在低溫?55℃＜Tj＜25℃）條件下，基本不受結(jié)溫影響，而只與漏極電流Id相關(guān)；在高溫（25℃＜Tj＜165℃）條件下，漏極電流影響減弱，而與結(jié)溫成二次增長。因此高溫下體二極管正向?qū)娮杩勺鳛楣浪憬Y(jié)溫的指標(biāo)。

根據(jù)體二極管屬性，其反向電阻不隨工況改變，而導(dǎo)通電壓與結(jié)溫成二次關(guān)系?；诓煌Y(jié)溫下對體二極管特性的分析，并結(jié)合充分的結(jié)溫變化范圍，可以為功率器件性能評估及高溫壽命預(yù)測的建模提供實驗數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

SiC MOSFET體二極管的可靠性評估主要是對其反向恢復(fù)過程中dV/dt過高觸發(fā)寄生BJT閂鎖效應(yīng)進而引起PN結(jié)雪崩擊穿的特性進行分析。SiC MOSFET較短的載流子壽命和較薄的外延漂移層都將導(dǎo)致體二極管恢復(fù)過程的dV/dt較高。文獻［20］證明了過高的開關(guān)頻率將抬高dV/dt及寄生BJT的基極位移電流并誘發(fā)雪崩擊穿，該現(xiàn)象在高溫時更明顯。

SiC MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性與溫度存在相關(guān)性，當(dāng)溫度上升，其反向恢復(fù)的電流振蕩峰值越大，關(guān)斷時間更長，但進入振蕩前的恢復(fù)電流波形不隨溫度變化［21］。另外，SiC MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性與驅(qū)動電阻相關(guān)性較大，驅(qū)動電阻越小，恢復(fù)速度越快但關(guān)斷電流振蕩越明顯。一般采用雙脈沖實驗進行測試。

SiC MOSFET體二極管長期工作在正向?qū)顟B(tài)下，會使其發(fā)生明顯的退化現(xiàn)象。這是由于體二極管長時間承受正向?qū)娏鲬?yīng)力，電子空穴對復(fù)合引起的堆疊層錯會在SiC中急劇增多，這些堆疊層錯一方面會增加對載流子的散射作用，降低載流子的遷移率，另一方面也會減少少子壽命，在禁帶中引入能級，從而減小SiC的有效禁帶寬度，增大器件在截止?fàn)顟B(tài)下的漏電流。因此SiC MOSFET實際應(yīng)用中盡量不要使用體二極管續(xù)流，而應(yīng)在其漏源兩端并聯(lián)一個SiC結(jié)勢壘肖特基二極管［22］。

3.6 寄生電容

SiC-MOSFET的輸入電容為柵源極輸入電容Cgs與柵漏極電容Cgd之和，即

柵極和漏極之間的電容由柵電極與N漂移區(qū)交疊的JFET區(qū)寬度XPL決定，當(dāng)正電壓施加在漏極上時，功率MOSFET中該MOS結(jié)構(gòu)部分處于深耗盡情況，如圖12所示。

柵漏電容Cgd，即反向傳輸電容Crss為

圖12 SiC MOSFET器件電容分布Fig.12 Capacitance construction of SiC MOSFET

式中：WG為柵極寬度。結(jié)合式（7）、式（8），顯然反向傳輸電容具有變溫度特性，隨溫度上升容值下降。

Crss和輸出電容Coss隨頻率及Tj的關(guān)系及線性擬合結(jié)果，如圖13所示。由圖13（a）、（b）的實驗結(jié)果可見，SiC MOSFET的反向傳輸電容Crss隨著漏-源極偏置電壓的增加而減小，與理論分析一致。當(dāng)交流頻率從10 kHz增加到1 MHz時，反向傳輸電容Crss隨溫度而減小明顯。當(dāng)沒有施加漏源極電壓時，SiC MOSFET的反向傳輸電容Crss與溫度具有最強的線性關(guān)系，并隨著溫度減小。此外，在100 kHz時反向傳輸電容和溫度的線性擬合程度比在1 MHz和10 kHz交流時更高。除了與結(jié)溫的關(guān)系之外，輸出電容Coss的特性與米勒電容相似。根據(jù)實驗結(jié)果，當(dāng)施加25 V的漏源極電壓時，SiC MOSFET的輸出電容Coss與溫度具有較強的線性關(guān)系，并隨著溫度增加而增強，如圖13（c）所示。因此，在工況為25 V的漏源極偏置電壓和100 kHz的交流頻率時，SiC MOSFET的輸出電容Coss可以被用作結(jié)溫監(jiān)測的參數(shù)，見圖13（d）。

圖13 Crss和Coss隨頻率及Tj的變化關(guān)系及線性擬合結(jié)果Fig.13 Crssand Cosschanging with frequencyand Tjand linear fitting results

4 溫度依賴性分析

對上述實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分別進行關(guān)于結(jié)溫的線性、平方及指數(shù)函數(shù)擬合，結(jié)果如表1所示。由表可見，擬合函數(shù)值與實際實驗數(shù)據(jù)結(jié)果具有高度一致性。，對于各項參數(shù)的擬合優(yōu)度，采用可決系數(shù)R2作為度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計量，R2的取值范圍是［0,1］，R2的值越接近1，說明擬合曲線對數(shù)據(jù)值的擬合程度越好。在表1中，可決系數(shù)R2最低為0.974 9，最高為0.999 1，可以認(rèn)定所選擇實驗參數(shù)與溫度具有高度相關(guān)性。

根據(jù)擬合結(jié)果，可以進一步估算變溫度參數(shù)對于結(jié)溫的平均靈敏度，即單位溫度下變溫度參數(shù)的平均變化值。表1中，所選取的參數(shù)均具有可測范圍內(nèi)的靈敏度，電流、電壓、電容、電阻基本為mA、mV、mΩ數(shù)量級，其中導(dǎo)通電阻Ron溫度靈敏度達(dá)到0.4 mΩ/℃，反向偏置體二極管導(dǎo)通Rdio溫度靈敏度達(dá)到0.42 mΩ/℃；僅Ig,（off）為nA數(shù)量級，但可以通過高精度的測量電路、放大電路或精密儀器測量。因此，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)所得的擬合函數(shù)靈敏度，具有實際工程指導(dǎo)意義。

表1 器件變溫度參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果及結(jié)溫靈敏度特性Tab.1 Experiment results of temperature dependency parameters and characteristic sensitivity with junction temperature

5 結(jié)論

本文以明確SiC MOSFET靜態(tài)性能和寄生參數(shù)在寬溫度范圍內(nèi)的變化特性為目標(biāo)，參照Si IGBT，以器件工作機理分析為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確采集變溫度參數(shù)實驗數(shù)據(jù)，驗證了理論分析及實驗結(jié)果的一致性。結(jié)論以下：

（1）在寬結(jié)溫范圍內(nèi)，SiC MOSFET靜態(tài)性能的溫度依賴性與Si IGBT相比更為明顯，極強的溫度敏感性為SiC MOSFET器件結(jié)溫的準(zhǔn)確測量提供依據(jù)。

（2）高溫時，SiC MOSFET具有極小的導(dǎo)通電阻、泄漏電流及高頻反向?qū)娙?，確保低導(dǎo)通損耗和高開關(guān)頻率，體現(xiàn)了SiC MOSFET在高溫高頻下的優(yōu)越性能。

（3）基于實驗數(shù)據(jù)辨識，特征參數(shù)的溫度靈敏度均在實際可測量范圍內(nèi)，證實了變溫度參數(shù)對于器件運行狀態(tài)監(jiān)測的可行性。

［1］Yang Shaoyong,Xiang Dawei,Bryant A,et al.Condition monitoring for device reliability in power electronic converters:A review［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25（11）:2734-2752.

［2］Ciappa M.Selected failure mechanisms of modern power modules［J］.Microelectronics Reliability,2002,42（4-5）:653-667.

［3］Baker N,Liserre M,Dupont L,et al.Junction temperature measurements via thermo-sensitive electrical parameters and their application to condition monitoring and active thermal control of power converters［J］.Journal of Military Communications Technology,2013,465（s1-2）:942-948.

［4］Jahdi S,Alatise O,Ortiz Gonzalez J A,et al.Temperature and switching rate dependence of crosstalk in Si-IGBT and SiC power modules［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,63（2）:1-1.

［5］Sun Kai,Wu Hongfei,Lu Juejing,et al.Improved modeling of medium voltage SiC MOSFET within wide temperature range［J］.IEEE Transactions on Power Electronics, 2014,29（5）:2229-2237.

［6］盛況,郭清,張軍明,等.碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應(yīng)用展望［J］.中國電機工程學(xué)報,2012,32（30）:1-7.Sheng Kuang,Guo Qing,Zhang Junming,et al.Development and prospect of sic power devices in power grid［J］.Proceedings of the CSEE,2012,32（30）:1-7（in Chinese）.

［7］Chen Zheng,Yao Yiying,Boroyevich D,et al.A 1200 V, 60 A SiC MOSFET multichip phase-leg module for hightemperature,high-frequency applications［J］.Power Electronics IEEE Transactions on,2014,29（5）:2307-2320.

［8］Kim S H,Gwon H S,Ksasada R,et al.Evaluation of thermal conductivity of unidirectional SiC composite enhanced with carbon fibers［C］.Fusion Engineering.2013:1-5.

［9］董耀文,秦海鴻,付大豐,等.寬禁帶器件在電動汽車中的研究和應(yīng)用［J］.電源學(xué)報,2016,14（4）:119-127.Dong Yaowen,Qin Haihong,Fu Dafeng,et al.Research and application of wide bandgap devices in electric vehicles［J］.Journal of Power Supply,2016,14（4）:119-127（in Chinese）.

［10］張斌鋒，許津銘，錢強，等.SiC MOSFET特性及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.電源學(xué)報,2016,14（4）39-51.Zhang Binfeng,Xu Jinming,Qian Qiang,et al.Analysis on characteristics of SiC MOSFET and key techniques of its applications［J］.Journal of Power Supply,2016,14（4）:39-51（in Chinese）.

［11］謝昊天,秦海鴻,董耀文,等.耐高溫變換器研究進展及綜述［J］.電源學(xué)報,2016,14（4）:128-138.Xie Haotian,Qin Haihong,Dong Yaowen,et al.Status and trend of high temperature converter［J］.Journal of Power Supply,2016,14（4）:128-138（in Chinese）.

［12］倪喜軍.高壓SiC器件在FREEDM系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電源學(xué)報,2016,14（4）:139-146.Ni Xijun.High voltage SiC devices applied to FREEDM systems center［J］.Journal of Power Supply,2016,14（4）:139-146（in Chinese）.

［13］Baliga B J.Fundamentals of power semiconductor devices［M］.Springer Science&Business Media,2010.

［14］Canali C,Jacoboni C,Nava F,et al.Electron drift velocity in silicon［J］.Physical Review B,1975,12（6）:2265-2284.

［15］Liou J J,Ortiz-Condez A,Sanchez F G.Extraction of the threshold voltage of MOSFETs:an overview［C］.Electron Devices Meeting,1997 IEEE Hong Kong.1997:31-38.

［16］袁劍峰,閆東航,許武.有機薄膜晶體管閾值電壓漂移現(xiàn)象的研究［J］.液晶與顯示,2004,19（3）:168-173.Yuan Jianfeng,Yan Donghang,Xu Wu.Research on threshold voltage drift of organic thin film transistors［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2004,19（3）:168-173（in Chinese）.

［17］張廷慶,劉傳洋,劉家璐,等.低溫低劑量率下金屬-氧化物-半導(dǎo)體器件的輻照效應(yīng)［J］.物理學(xué)報,2001,50（12）:2434-2438.Zhang Yanqing,Liu Chuanxiang,Liu Jialu,et al.Radiationeffects of metal-oxide-semiconductor devices at low temperature and low dose rate［J］.Acta Physica Sinica,2001,50（12）:2434-2438（in Chinese）.

［18］Fleetwood D M,Winokur P S,Schwank J R.Using laboratory X-ray and cobalt-60 irradiations to predict CMOS device response in strategic and space environments［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science,1989,35（6）:1497-1505.

［19］Habersat D B,Green R,Lelis A J.Evaluations of threshold voltage stability on COTS SiC DMOSFETs using fast measurements［C］.Reliability Physics Symposium（IRPS）, 2016 IEEE International.IEEE,2016:CD-4-1-CD-4-5.

［20］Bonyadi R,Alatise O,Jahdi S,et al.Investigating the reliability of SiC MOSFET body diodes using Fourier series modelling［C］.Energy Conversion Congress and Exposition.IEEE,2014:443-448.

［21］Peng K,Eskandari S,Santi E.Characterization and modeling of SiC MOSFET body diode［C］.2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）.IEEE, 2016:2127-2135.

［22］Agarwal A,Fatima H,Haney S,et al.A new degradation mechanism in high-voltage SiC power MOSFETs［J］.IEEE Electron Device Letters,2007,28（7）:587-589.

Temperature Dependency Characteristic of SiC MOSFET Static Performance Based on Comparative Analysis with Si IGBT

MA Qing,RAN Li,HU Borong,ZENG Zheng,LIU Qingyang
（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology, Chongqing University,Chongqing 400044,China）

As a new power electronic device,silicon carbide（SiC）MOSFET has unique electrical characteristics in comparison with Si IGBT,but its static performances and parasitic characteristics in a wide temperature range are still unclear.This paper concentrates on SiC MOSFET and compares with Si IGBT.Based on the working principles of these two kinds of devices,the characteristics affected by temperature are analyzed,and these characteristics including threshold voltage,conduction resistance,leakage current,output characteristics and body diode characteristics have also been accurately measured with junction temperature changing from-55℃to 165℃.The experimental results are shown to be in consistence with previous theoretical analysis.Built on the experiment results,this paper further studies the temperature sensitivity of all these performance parameters,and it is found that the static performance and parasitic characteristics of a SiC MOSFET strongly rely on temperature,and this can be more than in the case of a Si IGBT.This characteristic provides the theoretical basis for measuring device junction temperature and condition monitoring for SiC MOSFET-based power electronics system.

SiC MOSFET;IGBT;static characteristics;parasitic parameter;junction temperature;condition monitoring

馬青

馬青（1991-），女，碩士研究生，研究方向：新型電力電子器件及其應(yīng)用，E-mail：maqing_cqu@163.com。

冉立（1963-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：新型電力電子器件及可靠性、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，E-mail：li.ran@cqu.edu.cn。

胡博容（1992-），男，博士研究生，研究方向：電力電子器件可靠性評估與狀態(tài)監(jiān)測，E-mail：huborong715@gmail.com。

曾正（1986-），男，通信作者，博士，講師，研究方向：新型電力電子器件及應(yīng)用、并網(wǎng)逆變器、分布式發(fā)電與微電網(wǎng)，E-mail：zengerzheng@126.com。

劉清陽（1993-），男，碩士研究生，研究方向：新型電力電子器件及其應(yīng)用，E-mail：liuqywmx@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.67

TM46

A

2016-08-15

國家自然科學(xué)基金資助項目（51607016）；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃資助項目（cstc2016jcyjA0108）；輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室自主研究資助項目（2007DA10512716301）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51607016）;Chongqing Research Program of Basic Research and Frontier Technology（cstc2016jcyjA0108）;Scientific Research Foundation of State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&System Security and New Technology（2007DA10512716301）