CoolSiC? MOSFET G2导通特性解析-电子发烧友网

上一篇我们介绍了英飞凌CoolSiC MOSFETG2的产品特性（参考文章：CoolSiC MOSFET G2性能综述）。那么在实际应用中，G2如何进行正确的选型呢？接下来两篇文章会和大家仔细探讨这个问题。今天的文章将会主要聚集在G2的导通特性上。

在MOSFET设计选型过程中，工程师往往会以MOSFET常温下漏源极导通电阻RDS(on)作为第一评价要素。RDS(on)往往会体现在产品型号中，比如IMZA120R040M1H中的040，代表的就是结温25℃条件下，Vgs在18V时器件的RDS(on)约为40mΩ。

从上面的参数表也可以看出，RDS(on)是一个正温度系数的参数，对于IMZA120R040M1H来说，Tvj=175℃下的RDS(on)，几乎等于常温下的两倍。

再来看G2 34mΩIMZC120R034M2H的参数表，Tvj=175℃下的RDS(on)，约等于常温下的2.3倍。

可以看出G2RDS(on)的温度系数是要大于Gen1的。尽管在常温下，IMZC120R034M2HRDS(on)=34mΩ，低于IMZA120R040M1H的39mΩ，但是在175℃时，IMZC120R034M2HRDS(on)达到了80mΩ，略高于IMZA120R040M1H的77mΩ。

SiC MOSFET常工作在高温下，高温下更高的RDS(on)会导致更高的导通损耗。那么为什么CoolSiC G2要设计这么明显的RDS(on)温度系数？这不是与功率器件低损耗、高功率的发展方向背道而驰？

要回答这个问题，我们要先弄明白SiC MOSFETRDS(on)温度特性背后的机理。

SiC MOSFEST总导通电阻RDS(on)主要有三部分组成：沟道电阻Rchannel，JFET电阻RJFET和漂移区电阻Rdrift。

在这三部分电阻中，沟道电阻Rchannel具有负温度系数，即随温度上升，电阻反而下降。而RJFET和Rdrift则具有正温度系数，即电阻随温度上升而上升。那么总导通电阻RDS(on)的温度系数就由这三部分的比例决定。

如果沟道电阻Rchannel占比高，那么它的负温度系数会很大程度上抵消掉RJFET和Rdrift的正温度系数，使得总RDS(on)的温度曲线比较平坦，对外表现为高温下RDS(on)相比常温下数值变化很小。反之，Rchannel占比低的话，总RDS(on)的温度曲线就会很陡峭，高温下RDS(on)增加明显。

CoolSiC MOSFET是沟槽栅器件，从Gen1开始，沟道电阻Rchannel占比就很低，总RDS(on)的温度系数就由正温度系数的JFET电阻+漂移区电阻决定。而平面栅器件因为沟道电阻占比高，其负温度系数补偿了JFET电阻+漂移区电阻的正温度系数，所以总RDS(on)的温度系数比沟槽栅的CoolSiC更低。

而CoolSiC G2温度特性比G2更明显。这都是由于CoolSiC产品一直在不停的优化沟道质量，使得Rchannel在总电阻链路中的占比越来越低所致。

为什么英飞凌在执着的降低沟道电阻？

做这件事又有什么好处？

SiC和Si材料有很大不同，在形成沟道时，会产生很多氧化层界面陷阱和界面态密度。这些界面态密度会捕获电子，阻碍电子流动，增加沟道电阻。高温时，被捕获的电子获得能量又被释放，所以沟道电阻在高温下反而降低，呈现负温度系数。

SiC MOSFET中的沟道栅氧化层界面的质量是SiC发展的巨大挑战。不过有挑战就有机遇，机遇就是SiC是各向异性晶体，在不同晶面上形成的沟道质量是不一样的，垂直晶面的界面态密度和氧化层陷阱要低于水平晶面。英飞凌选择了一个特殊的[1120]晶面，它与垂直晶面有一个4℃的夹角，这个晶面能保持最低的界面态密度和氧化层陷阱，从而保证最高的沟道电子迁移率，以及最低的沟道电阻。同时，沟道电阻的负温度系数也不明显，可以理解为常温下被捕获的电子少，高温下被释放的电子也变少了。

通过采用降低栅氧化层界面的界面态密度和氧化层陷阱，可以提高沟道电子迁移率，允许使用更厚的栅氧化层，栅极氧化层的可靠性随氧化层厚度的增加而呈指数级提高。从下图中可以看到，英飞凌沟槽栅CoolSiC所使用的栅氧化层厚度，远高于平面栅，从而保证器件的长期可靠性与稳定性。