分析 Si、SiC 和 GaN 功率器件的温度参数

随着电子设备的不断发展，功率器件的温度参数成为了一个非常重要的研究领域。萨米特拉·贾格代尔将分析三种常见的功率器件材料：硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的温度参数。

1、Si 系列功率器件

硅（Si）是目前最常用的功率器件材料之一。它具有良好的热传导性能和稳定的电特性，广泛应用于各种功率电子设备中。然而，硅的主要缺点是其低功率密度和较高的导通损耗。在高温环境下，硅材料的导通电阻会增加，导致功率器件的效率下降。

Si 功率 MOSFET 和 SuperJuction 功率 MOSFET (CoolMOS)：高压 Si 功率 MOSFET 采用 D-MOSFET 结构。主要电阻包括源极接触 (RCS)、源极区 (RN+)、沟道 (RCH)、累积 (RA)、JFET (RJFET)、漂移区 (RD)、N+ 衬底 (RSUB) 和漏极接触 (RCD)。对于 1000V Si MOSFET，RD 和 RCH 占主导地位，随温度变化。它们的温度依赖性取决于电阻率 (ρ) 和电子迁移率 (μ)。通道长度 (LCH) 和单元长度 (Z) 很重要。阈值电压 (Vth) 取决于 P 区掺杂 (NA)、氧化物电容 (Cox) 和电荷 (Qox)。由于其基于 ln 的作用，本征载流子浓度 (ni) 对 Vth 产生反向影响。栅源等效阻抗包括内阻(Rg,int)，栅极电容包括CGN+和CGP，分别连接到N+和P区域，

图 1 Si MOSFET 栅极到源极的等效阻抗电路。

另一方面，CoolMOS是通过引入垂直PN结来增强平面DMOS结构的器件。与传统功率 DMOS 设计相比，其漂移区掺杂浓度更高，可降低导通电阻 (Rds,on)。电阻组件包括源极触点、源极区、沟道、累积区、漂移区 1 和 2、N+ 衬底和漏极触点，而 Vth 和 Rg,int 仍类似于 Si MOSFET。

Si IGBT：现代高压Si IGBT 采用场截止沟槽栅极结构。通态压降包括VP+N（P+集电极/N基极结）、VNB（考虑高电平注入效应的N基极区压降）和VMOSFET（MOSFET部分压降）。Si IGBT 与 Si D-MOSFET 具有相同的 Vth 和 Rg,int，但沟槽栅极不同。

2、SiC 系列功率器件

碳化硅（SiC）是一种新兴的功率器件材料，具有优异的热导性能和高能隙宽度。相比硅，SiC材料具有更高的击穿电场强度和导通电阻，可以实现更高的功率密度和更低的导通损耗。此外，SiC材料的导热性能也更好，可以在高温环境下工作。因此，SiC功率器件在高温、高频和高功率应用中具有巨大的潜力。

• SiC MOSFET：目前，SiC 功率器件主要采用平面栅极配置，少数采用沟槽栅极设计。虽然它们的 Ron 和 Vth 方程类似于 Si MOSFET，但它们在材料相关参数方面有所不同。值得注意的是，SiC MOSFET 的沟道迁移率随温度升高而升高，而 Si MOSFET 的沟道迁移率会降低。两种器件的漏极迁移率均随温度升高而降低。与 Si 不同，SiC 由于注入而经历了最小的掺杂剂扩散。

• SiC JFET：SiC JFET 目前大多采用沟槽栅极设计，与 SiC MOSFET 不同。由于其常开特性，它们的 Ron 缺乏 SiC MOSFET 中的累积电阻 (RA)。沟道在没有栅极偏置的情况下保持导电。栅源等效阻抗包括沟道电阻(RCH)。电容 CP+N- 和 CN+P+ 分别存在于 P+ 和 N- 区域之间以及 P+ 和 N+ 区域之间，如图 2 所示。

图 2 SiC MOSFET 栅极到源极的等效阻抗电路。

3、耗尽型 GaN 功率器件和增强型 GaN 功率器件

耗尽型 GaN 功率器件通常与低压 Si MOSFET 级联。它们的特性（例如 Rg,int 和 Vth）类似于 Si MOSFET。GaN HEMT 的 Ron 由 LD（栅漏间距）和 ns（二维电子密度）描述。

另一方面，增强型GaN功率器件使用栅极耗尽区。该设计确保器件在没有栅极电势的情况下保持关闭状态，从而消除了通过 2D 电子气的漏极-源极连接。

表征方法和结果

• Rg,int 特性：图3 显示了供应商C 的SiC MOSFET 在5~100MHz 范围内的整体阻抗。可以看出，在 27.5MHz 时，阻抗曲线反映了串联电阻 (Rg)。供应商 A 的 Si MOSFET 和 Si IGBT 表现出与温度相关的 Rg 行为：增加直至大约 75°C，然后下降。同时，与供应商A的Si MOSFET和Si IGBT相比，供应商D的SiC JFET表现出明显较差的Rg特性。这阻碍了其作为热传感元件（TSEP）的可行性。

图3 SiC MOSFET的Tj-阻抗关系

• 通态电阻(Ron) 特性：图4 显示1200V Si MOSFET 的Ron 最高为80 欧姆，而其他6 种器件的Ron 低于1 欧姆。其中，650V CoolMOS 的 Ron 最大，而 650V eGaN HEMT 的 Ron 最小。CoolMOS 在 0.6 欧姆/°C 时表现出最高的 Tj 系数，而 GaN HEMT 共源共栅在 0.2 欧姆/°C 时表现出最低 Tj 系数。此外，所有器件的 Ron 的 Tj 系数范围约为 0.4~0.6 欧姆/°C。

图 4 不同 Tj 下的 6 个器件及其 Ron。

• 阈值电压(Vth) 表征：阈值电压(Vth) 评估是在除SiC JFET（保持常开状态）之外的各种器件上进行的。在本次评估中，栅极和漏极被短路。图 5 显示了 GaN HEMT 共源共栅 Vth 测量的 Ids-Vgs 曲线特写。在宽带隙 (WBG) 器件中，SiC MOSFET 表现出最低的 Vth，约为 11.2V。测试的 eGaN HEMT 紧随其后，显示出随温度变化的波动，不适合 TSEP。来自同一制造商的另一款 100V eGaN HEMT 具有线性 Tj 系数，GaN HEMT 共源共栅的 Vth 为 2.22.4V，主要由低压 Si MOSFET 决定。

图 5 用于测量 Vth 的 Ids-Vds 特征曲线。

我们进行了一项实验，研究不同 Si、SiC 和 GaN 功率器件中的三种 TSEP——内栅电阻 (Rg,int)、通态电阻 (Ron) 和阈值电压 (Vth)。

与 Si 相比，Ron 和 Vth 对于宽带隙 (WBG) 器件表现出更有利的温度系数。然而，将它们用作 WBG 应用的 TSEP 需要增强的传感技术和更高的采样率（由于更快的开关）。Rg,int 的温度系数在制造商之间差异很大，并且仅与少数器件相关，因此在其应用中需要仔细考虑。