今天这篇文章来自重庆大学，研究Vth漂移对SiCMOSFET第三象限特性的影响。
先介绍背景
近年，SiCMOSFET在电动汽车驱动系统、光伏逆变器等领域得到广泛应用，然而受SiC材料特性限制，当前SiC/SiO2界面陷阱密度较高，导致器件Vth不稳定性较明显。
根据栅极应力方式的不同，SiCMOSFET器件Vth漂移可分为静态漂移和动态漂移，其中动态漂移研究更具实际意义，
因为动态Vth漂移幅度一般大于静态Vth漂移幅度，且实际应用中器件所受栅应力多为动态应力。
对SiCMOSFET的第一象限特性，已有明确结论：
1）正向Vth漂移会导致器件导通电阻增大，进而增大系统损耗，
2）负向Vth漂移可能引发器件关断状态下的非预期导通，降低系统可靠性。
但在第一象限之外，器件第三象限特性同样会受到Vth漂移的影响。
实际应用中，SiCMOSFET常与SiCSBD并联，借助后者实现SiCMOSFET死区时间内的反向续流，但这种方案存在电路设计复杂、芯片成本较高等缺点，
部分研究人员将目光转向SiCMOSFET体二极管，试图以此实现第三象限续流，
但需注意，当VGS<0V时，并非所有电流都通过体二极管，一部分可能通过沟道导通，
对部分商用SiCMOSFET，即使施加-5V栅源电压，三象限沟道仍无法完全关断，这一现象由体效应和栅极电位抬升共同导致
以下将结合实验和仿真，研究Vth漂移对SiCMOSFET第三象限特性的影响。
图片来源：网络
测试平台如上，正负栅压分别为20V/-10V，电压过冲控制在0.5V以内，
为缩短老化时间，将动态栅极应力的开关频率设为150kHz，占空比50%，
测阈值电压时，将栅极与漏极短接，当漏极电流达到0.01A时，对应栅源电压即为Vth。
选用两款商用SiCMOSFET，DUT.P为平面型SiCMOSFET，DUT.T为沟槽型SiCMOSFET，
图片来源：网络
动态栅偏实验结果如上，
无论DUT.P还是DUT.T，均出现Vth正向漂移，且漂移速率在初始阶段最快，随后逐渐饱和，
25℃下，66h动态栅应力后，DUT.P、DUT.T的Vth分别抬升0.15V、2.41V，
Vth正向漂移会增大器件在第一象限的导通电阻和开关损耗，40h动态应力后，DUT.P、DUT.T的第一象限导通压降分别增加了0.15V和0.2V。
接下来，看Vth对第三象限特性的影响，
大概逻辑是：当器件工作在第三象限条件下，且形成导电沟道时，Vth越大，沟道开启难度越大，
换言之，给定VGSoff条件下，Vth越高的器件，三象限沟道电阻越大，沟道压降在VSD中的占比越大。
图片来源：网络
Vth对第三象限特性的影响如上，左边是DUT.P，右边是DUT.T，
可以看到，随着Vth的升高，VSD逐渐增大，且DUT.T受Vth变化的影响更大。
为定量描述VSD受Vth的影响，定义S如下：
图片来源：网络
ΔVSD为Vth变化引发的VSD变化，S越大，表明VSD受Vth的影响越显著，
以此建立模型：
器件第三象限的总电流ISD由体二极管电流Ipn、沟道电流Ich3组成，
若ISD=Ipn，所有电流从体二极管流过，VSD不受Vth影响，S=0，
若ISD>Ipn，一部分电流从沟道流过，VSD受Vth影响，S>0，
沟道电流占总电流比例越大，S越大。
图片来源：网络
看这张图，
先看（a），纵轴VSD，横轴VGS，DUT.P和DUT.T呈现相同趋势，
随着VGS从0V开始减小，沟道逐渐关断，VSD逐渐增大，
直到VGS降至-10V以下，沟道彻底关断，VSD几乎不变，
这张图可以证明，当VGS在-10V~0V之间时，确有一部分电流从沟道通过。
（b）则展示了一种方法——如何提取某一条件下，沟道电流占总电流的比例？
先画出VGS=0V、VGS=-10V时的ISD-VSD曲线，再找到ISD=IDnom（额定电流）时，VGS=0V曲线对应的点A，A的横坐标为VSD0，
再找到VSD=VSD0时，VGS=-10V曲线对应的点B，B的纵坐标为ISD0，
由于此时沟道完全关断，ISD0完全为体二极管电流，
因此，A和B的纵坐标之差，即为沟道电流，由此可以算出沟道电流占总电流比例，且将这比例称为α。
图片来源：网络
当VGS从0V降至-8V，α逐渐减小，
即，沟道逐渐关闭，沟道电流占总电流比例越来越低，
从0V到-8V，DUT.P和DUT.T的α分别从23.3%和54.3%，降至0.8%和4.3%，
图片来源：网络
S的变化也符合预期，
如上，从0V到-5V，DUT.P和DUT.T的S值分别从0.06和0.2，降至0.04和0.12。
除了栅极电压之外，基区电阻也会影响VSD随Vth变化的敏感程度，
从公式看得很清楚，随着基区电阻的增大，沟道电流也会增大，因此VSD受Vth影响更大。
图片来源：网络
这张图看得很清楚，从（a）到（d），基区电阻Rb分别为0、0.05Ω、0.1Ω和0.15Ω，
红框圈住的沟道区域，电流密度确实逐渐增大，
这里的逻辑是：随着Rb的增大，栅漏电位VGD抬升，沟道电流Ich3随之增大。
图片来源：网络
Rb对S的影响如上
当Rb为0时，S近似为0，
当Rb为0.15Ω时，DUT.T在0V和-5V条件下的S值分别为0.19和0.1，
图片来源：网络
温度对α的影响如上，
随着温度从25℃增至175℃，DUT.P的α从23%降至13%，DUT.P的α从54%降至38%，
换言之，随着温度升高，沟道电流占比逐渐减小，流经体二极管电流比例逐渐增大。
为什么会这样？
因为随着温度升高，体二极管压降、沟道压降的变化幅度不同，
简言之，体二极管导通压降具有负温度系数，沟道导通压降也具有负温度系数，
最终哪种电流占比更高，取决于二者变化幅度高低，
随着温度升高，体二极管导通压降的降幅更大，以至于电流更多流经体二极管，沟道电流占比降低。
从这里可以看出，高温工况下，即使发生Vth漂移，对VSD的影响也相对较小，因为此时电流主要走体二极管。
再看反向恢复特性，
图片来源：网络
在25℃、175℃条件下，具备不同Vth的DUT.P、DUT.P器件反向恢复波形如上，
测试条件VGS=0V，此时沟道电流较为明显，
25℃条件下，无论DUT.P还是DUT.T，不同Vth器件反向恢复波形基本重合，
即，Vth变化对反向恢复特性影响甚微。
而在175℃条件下，不同Vth器件反向恢复波形出现明显区别，DUT.T尤甚。
为什么高温条件下，Vth变化对反向恢复特性的影响更为显著？
大概逻辑是：
室温下载流子寿命较短，体二极管和沟道的反向恢复电荷差异不大，
而高温下，由于体二极管电流是双极型电流，其载流子寿命增长远大于沟道电流，
因此在175℃时，相同大小的体二极管电流和沟道电流，前者产生的反向恢复电荷Qrrpn远大于后者QrrMOS，
而Vth的变化会改变体二极管电流&沟道电流占总电流的比例，
若Vth较小，沟道更易开启，沟道电流占比更大，Qrr更近于QrrMOS，则Qrr较小，
若Vth较大，沟道更难开启，沟道电流占比更小，Qrr更近于Qrrpn，则Qrr较大，
因此呈现出上图所示现象，175℃条件下，不同Vth器件反向恢复波形出现明显区别，Vth越大，Qrr越大。
图片来源：网络
175℃条件，VGS=0V、-5V条件下，具备不同Vth的DUT.P、DUT.P器件，Qrr、Irrm对Vth的敏感程度如上，
这张图想表达的是，通过将VGS调至更负（从0V到-5V），可降低Qrr、Irrm对Vth漂移的敏感程度，
在系统层面这也有一定意义：若应用于高温工况，且器件Vth稳定性较差，可考虑降低VGS，以避免Vth漂移影响反向恢复特性。
这也与前文结论一致，为什么将VGS调至更负，可以实现此目的？
答：因为更负的栅压将沟道关得更死，沟道电流占比更小，于是Vth漂移对反向恢复的影响更小。
小结：
1、对SiCMOSFET而言，VGS<0V时，并非所有电流都通过体二极管，一部分可能通过沟道导通，
部分商用SiCMOSFET，即使施加-5V栅源电压，三象限沟道仍无法完全关断，这一现象由体效应和栅极电位抬升共同导致，
正因为沟道电流在第三象限电流中占据一部分比例，因此Vth漂移会对器件第三象限特性产生影响。
2、Vth漂移对SiCMOSFET第三象限特性的影响到底有多大，核心因素是α，α即沟道电流占总电流的比例。
3、相比室温条件，高温会使α减小，从而降低VSD对Vth漂移的敏感程度，但高温环境会提升反向恢复特性（Qrr、Irrm）对Vth漂移的敏感程度，
在并联应用场景下，后者可能会引发电流集中，进而导致热失控。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
