本文采用了五端接触模型研究了SiC MOSFET的总电离剂量辐照（TID）前后的栅极震荡行为。实验观察到，辐照前后SiC MOSFET在导通瞬态中栅极震荡现象比未辐照的器件严重，而且随着辐照剂量的增加，栅极震荡幅度增大。
SiC MOSFET栅极震荡现象加剧的原因是因为TID辐照引起的器件阈值电压降低，使得器件更易导通，漏极电流变化敏感且迅速，从而导致了较大的源极电位漂移，进而产生了栅极电势漂移。栅极寄生电感受到栅极电位漂移驱动的栅极电流变化的影响，导致了栅极电压严重震荡。另一方面，辐照后的SiC MOSFET在关断瞬态过程中栅极震荡减弱，阈值电压的降低导致的米勒平台降低，这会导致栅极充放电速度变慢，栅极电位漂移减小。
背景介绍
SiC MOSFET具有高临界击穿电场，低导通电阻、高开关频率等优点，可显著提高电力电子系统的效率和功率密度，降低导通损耗，因此广泛应用于高温、高压、高频领域。SiC MOSFET具有优良的电学性能，在航空领域有着重要的应用前景。目前人们主要关注的是SiC MOSFET在总电离剂量（TID）辐照下的电学特性退化，而很少有人研究器件在TID辐照前后开关过程的门极震荡现象。
SiC MOSFET中栅极震荡现象会导致器件的误导通或误关断以及栅极过冲，从而可能损坏栅氧层，降低器件长期可靠性。目前传统的三端接触（源极、漏极、栅极）的封装模型无法观察到器件开关过程中的内部位移电流对栅极震荡的影响。因此，这篇研究提出五端接触模型，可以更详细的描述器件内部电路的产生和流动，有利于深入研究SiC MOSFET的栅极震荡现象。
本文详细讨论了总剂量辐照对SiC MOSFET栅极震荡特性的影响，结合双脉冲测试实验结果和基于五端接触模型的仿真结果，分析了辐照前后器件在导通瞬态器件栅极震荡更加严重和关断瞬态器件栅极震荡减弱的背后机理。阈值电压的降低和米勒平台的下降被认为时门机震荡变化的主要因素，这些影响导致了栅极电位漂移、栅极电流变化，从而加剧开关电路中寄生电感引起的门极震荡。
实验装置
选择美国Cree/WolfSpeed公司的商业1200VSiC平面栅MOSFET器件，采用γ-rays(60Co)以50rad/s的剂量率辐照器件，总剂量为100、500和1000krad。为了尽量避免器件之间的误差，选取了三个器件作为对照样品，分别对其转移特性、输出特性、击穿电压和GS漏电流等静态性能进行表征。双脉冲测试中，采用SiC MOSFET的体二极管作为续流二极管，栅极电阻设置为20Ω，栅极开关电压定为+15V/-5V，母线电压为800V，负载电感为200uH。
下图展示了仿真中采用的五端接触模型示意图。通过将三端电机分解为五端电机，详细分析了SiC MOSFET在辐照前后的内部电流变化。首先将栅极分为栅漏极和栅源极，因为在JFET区域，栅漏电容CGD的充放电会产生位移电流IGD。而在沟道区域，栅源电容CGS的充放电会产生位移电流IGS。同样，源极也分为N+和P+区。N+区主要传导沟道电流ICH，P+区则是在CDS充放电时承载位移电流。这种五端模型可以更为精细的观察到开关期间的内部电路的动态变化，为充分全面分析栅极震荡现象提供了依据。
实验结果与讨论
下图比较了辐照前后SiC MOSFET静态参数的变化。下图a显示了随着辐照剂量的增加，转移特性曲线出现明显负漂移，表明阈值电压出现负漂移。这主要是因氧化层和SiO2/SiC界面处的陷阱捕捉空穴导致的。下图b表明了器件输出特性得到提高，这主要是归因于导通电阻的降低。器件的击穿电压测试表明，当辐照剂量达到了1000krad时，器件的漏电流急剧增加，反映了SiC MOSFET的阻断能力显著下降。这种退化源于阈值电压降低导致的弱沟道传导。值得注意的是，栅氧完整性在总电离剂量辐照后不受影响，因为IGSS保持在正常范围内。
下图给出了辐照前后SiC MOSFET开关特性的双脉冲测试结果。下图a和图b表明，器件的导通速度随着辐照剂量的增加而变快。因为较低的阈值可以减少开通时间。类似的，下图c和d显示，阈值电压降低时，器件的关断延迟。此外，可以观察到，在导通瞬态器件，随着辐照剂量的增加，栅极震荡更加严重，而在关态瞬间，与新器件相比，栅极震荡更加缓和。值得注意是，SiC MOSFET的米勒平台在关态瞬间随着阈值电压的降低而降低，如下图c所示。
在分析辐照对SiC MOSFET栅极震荡的影响前，首先描述五端接触模型在开关过程中的作用。下图a展示的是，在导通瞬态期间，CGD和CGS都随栅极电压上升而充电，从而产生位移电流IGD和IGS。栅极电流IG表示为IGD和IGS之和。IG和ID同时构成了沟道电流ICH，流出N+源极接触电极。同时，随着VDS的快速减小，CDS充电并产生与沟道电流方向相反的位移电流IP+、源极电流IS由ICH和IP+组成，电流的流动的表达式：
下图b表明，在关断过程中，CGD和CGS都放电，产生于导通过程相反方向的位移电流，而沟道电流方向保持不变。此外，VDS急剧增大，导致了CDS放电产生位移电流IP+，电流之间的关系表达如下：
阈值为3V的新器件和阈值为0.9V的辐照器件之间的仿真结果如下图所示。与新器件相比，辐照器件显示出更早的沟道开启以及更快的IDS增大。与此同时，下下图a显示了IS变化在源极端子的寄生电感LS上的感应电动势，产生了LS×dIS/dt的正电位漂移。为了保持恒定的VGS，栅极端子还经历了正电位漂移，进一步导致栅极电流IG的减少。IG的变化通过寄生栅极电感LG引起栅极电压的震荡，这主要发生在米勒平台之前。因此，经辐照的器件比新器件表现出更强的震荡。
在下图中，当VGS进入到米勒平台时，CGD快速充电，导致了IGD快速增加。同时CGS不仅停止了充电，而且其电流还流向了CGD，导致了IGS减小了，从而导致了门级震荡和VGS下降。
如下图所示，IDS的峰值超过了额定值的8.5A，这是因为当VDS快速下降时，续流的SiC MOSFET体二极管在CDS放电，形成了空间电荷区。位移电流流入ID，导致了IDS超过其额定值，直到体二极管完成放电，位移电流才会发生突然衰减。
下图b则是表明，在米勒平台区，随着SiC MOSFET的IS减小，产生了感生电动势，并在源极电子引起负电位漂移-LS×dIs/dt。类似的，栅极段子也经历了负电位漂移。门极电位的负漂移使得IG增大，在VGS中引起LG×dIG/dt的门极震荡。
此外，辐照器件形成的阈值电压越低，在相同栅压下流过的电流越多，导致IDS中电流下降越快，这种剧烈的电流变化导致LS中的电位漂移越大。因此，因栅极电位漂移引起的LG×dIG/dt放大了VGS震荡。此外，如上图所示，随着ICH的增大，IP+沿相反方向增加，这是因为SiC MOSFET中的CDS的充电所致。
前文的开关波形中可以直到，在关态瞬间，与新器件相比，辐照器件表现出较小的栅极震荡。米勒平台随阈值电压的降低而降低。米勒平台电压VGP的公式由下式给出。
下图表明，当VGS下降到米勒平台时，CGS和CDS都开始放电，导致了IGS和IGD增加，由于部分电流转向IG，ICH开始缓慢下降。
下图中，随着VGS下降到米勒平台，IGS逐渐减小，而IGD因IG用于放电VGD而增大。同时，VDS开始上升，CDS的充电导致IP+迅速增加。
上图c表示，当VGS下降到阈值电压时，IDS迅速下降，Is发生显著变化，引起负电位漂移，导致栅极电位下降，最终又导致了栅极震荡。因新器件的VGP比辐照器件的高，CGD放电更快，引起更大的电位漂移，这导致了IG的较大变化和LG×dIG/dt的更显著的栅极震荡。这个现象证实了实验结果的现象。一旦IS逐渐稳定并减小到0左右，VGS栅极震荡消失。
结论
本文采用五端接触模型对辐照后的SiC MOSFET栅极震荡现象进行表征，结果表明辐照后的SiC MOSFET在导通瞬态时栅极震荡较为严重，而在关断瞬态时栅极震荡较小。门极震荡的主要原因是开关过渡器件IS的变化导致门极电位漂移LS×dIS/dt，这就导致了IG的变化，从而产生了LG×dIG/dt的门极震荡。
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