摘要：

第3代宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)凭借其更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更快的饱和电子漂移速度及更优的热导率等特性，逐渐替代硅(Si)材料，广泛应用于高频、高压大功率器件的设计中。本文系统对比碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET) 与硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(Si MOSFET) 在栅极驱动特性方面的差异，并从材质特性、驱动电压、开关速度、驱动电路设计以及功率消耗5个维度展开深入分析。同时，针对SiC MOSFET 驱动中的密勒平台现象，全面论述SiC和Si材料在功率器件驱动上的性能差异与影响。

引言

步入21世纪以来，随着能源动力技术的发展，风能发电与核能发电被广泛应用于更多场景。为实现更高的经济及生态效益，电气设备与分立器件需提升用电效率，以落实可持续发展理念。因此，作为电力电子设备核心单元的功率器件，其高效高性能特性至关重要。历经近60年发展，以碳化硅 (SiC)材料为代表的最新一代的半导体材料在行业内崭露头角。相比传统的第1代硅半导体材料，碳化硅具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场强度及优秀的导热性能。碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbide metal-oxidesemiconductor field-effect transistor，SiC MOSFET) 因在高压、高频、高温工况下表现卓越，与硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(silicon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，Si MOSFET) 形成显著差异，成为大功率电力电子领域的有力竞争者。

半导体行业3代的半导体材料发展如图 1所示。

第1代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）为主，其禁带宽度低于 1.2 eV，是半导体行业的基石；第2代半导体材料主要包括砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP），相比第1代具有更高的电子迁移率与更快的开关速度，在高频、高速及光电应用中表现优异；第3代半导体材料则以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表，禁带宽度超过3.0 eV，具备更高的击穿电场强度、更优的导热性能及更快的电子饱和漂移速度，因而在高频、高压、高温的大功率开关设备中性能卓越。

1、SiC MOSFET 结构

SiC MOSFET 的结构设计最初基于现有Si MOSFET 架构进行替换与改进。由于 SiC MOSFET 适用于高压、高频工况，通常采用垂直沟道设计以提升器件的击穿电压耐受能力和通流能力[5]。通常情况下，SiC MOSFET 主要被分成几个部分：3个端子极(漏极、源极、栅极)、栅极氧化层、P+区、N+区、P-基区以及N-漂移区。其中，SiC MOSFET 的衬底部分通常由P型SiC薄片制成；P区和N区是由高浓度掺杂、扩散形成的PN结，MOSFET的导电沟道则是利用PN结中多子（电子或空穴）漂移形成的电子流动通道；栅极氧化层主要由二氧化硅构成；3个电极端子由N型区表面引出的3个金属(铝)电板构成。其中，金属栅极，栅极氧化层和掺杂半导体层共同构成标准的MOS结构。

当前主流的SiC器件垂直沟道结构包括平面栅型SiC DMOSFET 结构和沟槽型SiC UMOSFET 结构2种[7]。平面栅型SiC DMOSFET 于1997年提出，后续通过优化外延生长、离子注入及高温退火工艺，显著降低了工艺损伤并提升了沟道迁移率[8]。垂直沟槽栅型SiC MOSFET 器件结构于同期提出，并在沟槽栅型SiC MOSFET 器件结构的基础上又提出UMOSFET结构[9]，该设计通过栅极直接嵌入漂移区，大幅增强了对沟道电场的调控能力[10]。

平面栅型SiC DMOSFET 结构和沟槽型SiC UMOSFET 结构如图 2所示。

2、SiC MOSFET 栅极驱动与Si MOSFET 栅极驱动差异

本文从材料特性、驱动电压、开关速度、驱动电路及功率损耗5个方面对SiC MOSFET 栅极驱动与Si MOSFET 栅极驱动的差异进行说明与分析。

2.1、材料特性

Si MOSFET 和SiC MOSFET 是功率电子器件的重要类型。Si MOSFET 因其良好的导电性和成熟的制造工艺广泛用于中低功率等领域，而SiC MOSFET在高温、高频和高功率应用中表现出色，具备高热导率和高击穿电压。两者在性能和应用场景中各有优势，共同推动了现代电力电子技术的发展。SiC材料与Si材料的关键特性指标对比[11]如表 1所示。

由于SiC和Si的禁带宽度不同，二者呈现出显著的特性差异。为了阐明禁带宽度的概念，需引入半导体物理中的电子能带理论。现代物理学表明，原子核及核外电子的状态是不连续的，即不同的原子有着不同的状态，每个状态对应特定的能量值，这些能量值称为电子能级，用能级来表示：在各自能带上又具有一定形状的电子云电子。能带分为低能级价带和高能级导带，他们中间缺少能级表示的就是禁带。材料想要导电，就需要价带中的电子跃迁到导带中形成载流子，电子需要跃迁的区域范围就是禁带宽度。由于SiC材料优异的禁带宽度,其逐渐成为第3代半导体的中坚力量。

较高的禁带宽度，使得SiC MOSFET 的临界击穿电场是Si MOSFET 的10倍，有着更高的临界击穿电场；临界击穿电场较高使得器件较薄即可完成导通任务，MOSFET中的各种电容参数都会比较小，所以SiC MOSFET 与Si MOSFET 相比，会等效出更小的寄生电容；临界击穿电场大，也使得材料在高温下不会发生电离现象，SiC MOSFET 相较于Si MOSFET 可以在高温时各个物理量都保持稳定；此外由于SiC出色的晶体结构，其的导热率在固体材料中也十分突出，仅仅比铜稍微差些。

Si MOSFET 通常具有较低的击穿电压和较高的寄生电容，以及较低的导热率。而SiC MOSFET 由于具有较高的禁带宽度，往往具有更高的击穿电压、更低的寄生电容以及更高的工作温度范围。

2.2驱动电压

Si MOSFET 和SiC MOSFET 的驱动电压特性存在显著差异。Si MOSFET 通常采用较低的栅极电压，易于驱动并适用于大部分低压应用。SiC MOSFET由于其更高的开关速度和较低的导通电阻，栅极电压通常设定在更高的范围，以实现更优的性能和效率，但同时也增加了驱动电路的复杂性和成本。SiC MOSFET 和Si MOSFET 的伏安转移特性曲线[17]如图 3所示。

在转移特性中，当Si MOSFET 的Vgs趋向于8 V 时，即使再增大Vgs也无法得到更大的输出电流I ds ，Si MOSFET 的通流能力基本达到饱和。也可以从 MOS管的输出特性曲线中了解， Si MOSFET 的输出特性曲线如图 4所示。

当Vgs＞8 V 时，输出特性曲线基本保持重合。即对于 Si MOSFET 而言，当Vgs＞8 V 时，增大漏极源极之间电压，无法再增大电流，MOSFET完全开启。SiC MOSFET 的输出特性曲线如图 5所示.。

SiC MOSFET 在不同的Vgs的情况下输出特性有明显的差异，可以使用于更加高压的工作环境。从另一角度来说，SiC MOSFET 需要使用更高的驱动电压。传统的Si MOSFET 的5 V 驱动电压已无法满足SiC MOSFET 的驱动要求，SiC MOSFET 的正向耐受电压通常在25 V 左右，开态VDD通常推荐为18～20 V[18-19]。

Si MOSFET 通常需要10～15 V 的驱动电压，以保证其栅极电压高于阈值。而SiC MOSFET属于宽禁带器件，这导致其需要更高的驱动电压，即需要更多的能量来驱动载流子使其导通。其通常需要15～20 V 的驱动电压（一般型号为18 V 或20 V），SiC MOSFET 的栅极电压范围较宽。

2.3、开关速度

由于宽的禁带宽度，SiC MOSFET 有着更大的击穿电场，这带来了更小的寄生电容，能够实现更快的开关速度。并且SiC材料有着2.5× 107 cm/s 的饱和电子漂移速度，Si材料的饱和电子漂移速度仅仅只有1×107 cm/s，在相同电压驱动条件下，SiC相较于Si有着更快的电子运动速度，SiC MOSFET 可以达到比Si MOSFET 更快的开关速度。

Si MOSFET 有着比较快开关速度，但受到材料特性的限制制约工作在高频时会受到寄生电容的影响，而SiC MOSFET 的开关速度更快，能够在高频的工作环境下具有更好的稳定性[22]。此外，SiC MOSFET 的更高的击穿电场强度，相较于Si MOSFET 的更低的导通电阻，以及SiC MOSFET 在高温下性能更稳定，这些都使得SiC MOSFET 相较于Si MOSFET 可以有着更快的开关速度。

2.4、驱动电路

2.4.1、SiC MOSFET 电压型驱动电路

2.4.2、SiC MOSFET 电流型驱动电路

2.4.3、SiC MOSFET 保护电路型驱动

2.4.4、Si MOSFET 推挽型驱动电路

Si MOSFET 推挽型驱动电路如图 10所示，基础的推挽驱动电路由PNP三极管和NPN三极管构成。电源输入高电平时，上方的NPN管导通，下方的 PNP管关闭，驱动MOSFET的导通；电源输入低电平时，上管的NPN管关闭，下方的PNP管导通，驱动MOSFET的关闭[32]。

2.4.5、Si MOSFET 加速关断型驱动电路

在驱动电阻上并联电阻和二极管，构成加速关断型驱动电路[33]。Si MOSFET 加速关断型驱动电路如图 11所示，其中D1常用的是快恢复二极管。在关断瞬间，并联的驱动电路上的二极管提供了低阻抗通路给MOSFET以快速释放栅源电容电荷，确保MOSFET的快速关断，减小了关断时间，同时也减小了关断损耗。

2.5、功率损耗

SiC MOSFET 在从关断状态至导通的过程中，沟道的电子迁移率随温度升高而增加，导致沟道电阻RCH减小。同时，漂移区的电子迁移率降低，使得体电阻 RBulk随温度升高而增大。这种相反的温度特性降低了SiC MOSFET 的Rds(on)对温度的敏感性。

另一方面，在较低的Vgs下，RCH占主导地位；在较高的 Vgs下，RBulk占主导地位。由于SiC MOSFET 的RCH较大，而R Bulk 较小，因此使用20 V 的导通电压可以实现更低的导通电阻[35]。

SiC MOSFET 和Si MOSFET 的伏安特性曲线如图 12所示.

在产生相同的漏源电压下， SiC MOSFET有着比Si MOSFET 更小的导通电阻，故 SiC MOSFET 相较于Si MOSFET 将产生更少的导通功率损耗。

3、MOSFET中密勒平台

不论在SiC MOSFET 或者是Si MOSFET 中，密勒平台都是一个十分重要的现象。接下来就MOSFET中的密勒平台现象进行系统的分析研究。

密勒平台(Miller Plateau) 是指：在开关器件的栅极电压(Vgs)在一定时间段内保持不变的现象。这个现象是由于在器件的开通或关断过程中，栅极电荷在米勒电容(Cgd)上充放电所致。密勒平台的存在对开关器件的开关速度有重要影响，在密勒平台期间，栅极电压的变化速率变慢，影响着整体的开关速度[36]。

在MOSFET中会出现很多寄生参数对其开通关断产生影响，寄生电容主要包括栅极-源极电容(Cgs)、栅极-漏极电容(Cgd)和漏极-源极电容(Cds) [37]。

Cgs是栅极和源极接触面之间叠加出来的等效的电容。在MOSFET开关过程中，当栅极电压(Vgs)变化时，Cgs会充电或放电。较大的Cgs会增加驱动电路的负担，导致开关速度减慢。

Cgd是栅极和漏极接触面之间叠加出来的等效电容。当MOSFET在开关过程中，漏极电压(Vds)变化时，会通过Cgd耦合到栅极电压(Vgs)上。Cgd是导致密勒效应的主要原因。在开通过程中，当Vds下降时Cgd充电，导致Vgs在一段时间内保持不变，形成密勒平台，影响开通速度。在关断过程中，Cgd放电，同样会导致Vgs在勒平台上保持一段时间，影响关断速度。

Cds是漏极和源极接触面之间叠加出来的等效电容，Cds通常较小。Cds主要影响漏极电压的变化率(dV/dt)，在高频开关应用中可能会导致电磁干扰和寄生振荡。

以SiC MOSFET 开通为例，对密勒平台进行分析。SiC MOSFET 的开通波形和考虑寄生参数的SiC MOSFET 等效电路[38]如图 13(a)和图 13 (b) 所示。

4、结语

本文着眼于SiC材料与Si材料的不同应用，从材质属性、驱动电压、开关速度、驱动电路以及功率消耗展开研究分析，对比了SiC MOSFET 优于Si MOSFET 的特点，分析SiC MOSFET 栅极驱动与Si MOSFET 栅极驱动差异。总的来说，SiC材料凭借其3倍于Si材料的禁带宽度，使得其有着更高的击穿电场，更加适用于高压的工作环境；也正是因为更宽的禁带宽度，使得 SiC MOSFET 需要更高的能量进行导通操作，这就需要更高的驱动电压；也正因为SiC高压，高频，高温的工作环境，使其的驱动电路相较于Si MOSFET 更为复杂。同时，对于MOSFET中的密勒平台现象进行分析介绍，进一步对于SiC MOSFET 和Si MOSFET 驱动模式的差异进行完善的综述。